Электронные вычислительные средства



Рис. 6.9. Схема одноразрядного сумматора

Пример. "Черным ящиком" называется некоторое закрытое устройство (логическая, электрическая или иная схема), содержимое которого неизвестно и может быть определено (идентифицировано) только по отдельным проявлениям входа/выхода ящика (значениям входных и выходных сигналов). В "черном ящике" находится некоторая логическая схема, которая в ответ на некоторую последовательность входных (для ящика) логических констант выдает последовательность логических констант, получаемых после выполнения логической схемы внутри "черного ящика". Определим логическую функцию внутри "черного ящика" (рис. 6.10), если операции выполняются с логическими константами для входных последовательностей (поразрядно). Например, х = 00011101 соответствует последовательности поступающих значений: "ложь", "ложь", "ложь", "истина", "истина", "истина", "ложь", "истина".

Рис. 6.10. Схема "черного ящика 1"

Из анализа входных значений (входных сигналов) х, у и поразрядного сравнения логических констант в этих сообщениях с константами в значении z - результате выполнения функции в "черном ящике", видно, что подходит, например, функция вида



Действительно, в результате "поразрядного" сравнения сигналов (последовательностей значений "истина", "ложь") получаем следующие выражения (последовательности логических констант):

Пример. Попробуйте самостоятельно выписать функцию для "черного ящика"? указанного на рис. 6.11:

Рис. 6.11. Схема "черного ящика 2"

Важной задачей (технической информатики) является минимизация числа вентилей для реализации той или иной схемы (устройства), что необходимо для более рационального, эффективного воплощения этих схем, для большей производительности и меньшей стоимости ЭВМ.

Эту задачу решают с помощью методов теоретической информатики (методов булевой алгебры).

Пример. Построим схему для логической функции



Схема, построенная для этой логической функции, приведена на рис. 6.12.

Рис. 6.12.Схема для функции 1

Пример. Определим логическую функцию, реализуемую логической схемой вида (рис. 6.13)

Рис. 6.13. Схема для функции 2

Искомая логическая функция, если выписать ее последовательно, заполняя "верх" каждой стрелки, будет иметь следующий вид:

Первые двоичные ЭВМ на лампах.

В том же 1937 г., когда заработала первая в мире двоичная машина Z1,

Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированной вычислительной машины, впервые в мире применив электронные лампы в количестве 300 штук.

1942-43 гг. В Англии при участии Алана Тьюринга была создана вычислительная машина "Колосс". В ней было уже 2000 электронных ламп. Машина предназначалась для расшифровки радиограмм германского Вермахта. Работы Цузе и Тьюринга были секретными. О них в то время знали немногие. Построенные машины не вызвали какого-либо резонанса в мире.

Принципы неймановской архитектуры.

Большинство вычислительных машин первого, второго и третьего поколений строились на принципах сформулированных Дж. фон - Нейманом в 1949 году. Поэтому термин «фон - Неймановская архитектура» является синонимом термина «классическая архитектура». Эти принципы легли в основу большого количества процессоров, да и в настоящее время влияние классической архитектуры в современных процессорах достаточно велико.

Естественно, что понятие классической архитектуры шире, чем принципы Дж. фон-Неймана, и сегодня под ЭВМ с классической архитектурой понимается вычислительная машина, построенная на следующих принципах:

1. Принцип загружаемой программы. Программа и данные, обрабатываемые этой программой должны быть загружены в оперативную память для обработки их процессором. Это означает, что процессор выбирает очередную команду программы и данные, обрабатываемые этой командой из оперативной памяти ЭВМ. Загрузка в оперативную память с внешних устройств выполняется посредством операций ввода / вывода.

2. Принцип микропрограммного управления. Подразумевает наличие универсального АЛУ и специальной памяти для хранения микропрограмм, которые описывают работу процессора при выполнении команды по тактам;

3. Универсальный набор команд. Процессор с точки зрения программирования обеспечивает разработчиков универсальным по типам и операциям набором машинных команд.

4. Обработка особых ситуаций по прерываниям. Особые ситуации, возникающие при работе процессора (ввод / вывод, таймер) или при выполнении команды (деление на ноль, переполнение порядка) обрабатываются с использованием особого аппаратно-программного механизма, называемого прерыванием. При возникновении особой ситуации происходит аппаратная смена содержимого регистра адреса команды, посредством чего процессор начинает выполнять специальную программу операционной системы - обработчик прерываний;

5. Принцип последовательного выполнения команд. Процессор выбирает очередную команду из оперативной памяти по адресу, расположенному а специальном регистре устройства управления процессором - регистре адреса команды. После выборки команды в регистр команд регистр адреса увеличивается на длину машинной команды. Таким образом процессор последовательно выполняет команды загруженной программы, до тех пор пока очередная выбранная команда не будет командой перехода по адресу. В этом случае адрес, указанный в команде перехода замещает текущий адрес в регистре адреса команды УУ процессора, и тем самым следующая выбираемая процессором команда - это та, на которую указывала команда перехода.

Этим принципам соответствует структура процессора, показанная на рис 2.1, регистры общего назначения программно адресуемы и предназначены для целей пользовательского программирования.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1

Развитие элементной базы (транзисторы, МОП - транзисторы, СБИС, проблемы дальнейшей интеграции).

Развитие элементной базы РЭА, в том числе и РЭС прошло четыре этапа, которые в основном связаны с развитием элементной базы. Обычно говорят о четырех поколениях РЭА:

первое (1915-1955 гг.)	создание РЭА на основе электровакуумных приборов и дискретных ЭРЭ;
второе (1955-1965 гг.)	использование дискретных транзисторов и миниатюрных ЭРЭ;
третье (1965 - 1980 гг.)	применение ИС и микроминиатюрных дискретных ЭРЭ;
четвертое (с 1980 г)	комплексное использование ЭРЭ, БИС и СБИС, УФЭ и микропроцессорных комплектов.

Развитие элементной базы определяется потребностями СМЭ и основано на достижениях физики, технологии и производства. Особенно быстро она стала развиваться с начала 60-х гг., когда достижения физики создали основу для появления микроэлектроники. Это привело к формированию в конструкции и технологии самостоятельного направления - конструирования и технологии радиоаппаратуры.

Четвертый этап продолжается и в настоящее время. Существуют и другие классификации, особенно в отдельных направлениях РЭА.

Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания, ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы, и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Повышение степени интеграции микросхем и связанное с. этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов (в отдельных случаях и миллионов) на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой.

Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.

Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объекту твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с. фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т.д.).

Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т.е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптические явления (когерентная и некогорентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнитооптика). Их свойства, связанные со свойствами светового потока, следующие:

зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов;

двухмерность светового потока, а следовательно, возможность многоканальной обработки информации;

высокая несущая частота и, следовательно, большая полоса пропускания каналов обработки информации.

Эти особенности стали основой интенсивно развивающегося направления функциональной микроэлектроники - оптоэлектроники.

Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. Такие явления, как генерация и усиление акустических воли потоком электронов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, обусловили появление нового направления функциональной микроэлектроники - акустоэлектроники. Особенность этих явлений заключается в малой скорости распространения акустических волн (1.105см/с) в отличие от электромагнитных волн (3.1010 см/с), что позволяет реализовать миниатюрные линии задержки, фильтры с заданными частотными свойствами, усилители СВЧ и др.

Преимущество этого направления состоит в том, что реализация заданной функции обеспечивается лишь выбором конфигурации устройства.

Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), появление которых привело к созданию нового направления - магнетоэлектроники. Отличительной особенностью слабых ферромагнетиков является малая по сравнению с классическими магнитными материалами намагниченность насыщения. Это дает возможность управлять движением магнитных доменов, называемых пузырями, в двух и трех измерениях слабыми магнитными полями и осуществлять тем самым функции хранения, перемещения и обработки больших объемов информации.

Характерные размеры "пузырей", составлявших примерно 1 мкм, позволяют достичь, высокой плотности записи информации (1.108 бит/см2). Большое преимущество таких систем состоит в том, что хранение информации осуществляется без питания, а перемещение "пузырей" - малым рассеянием мощности. Ряд новых материалов - магнитных полупроводников, обладающих свойствами магнетиков и полупроводников, - позволяет создавать приборы с большой функциональной гибкостью.

Покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности (домены и шнуры) в однородных полупроводниках. Их исследование стимулировало создание функциональных интегральных микросхем.

Так как в данном случае используется однородный материал, то реализация заданной функции может быть достигнута выбором соответствующей конфигурации устройства. Высокие скорости движения неоднородностей электрического поля (1.107 см/с) обусловливают высокое быстродействие (меньше 1.10-9 с), а также генерацию и усиление в диапазоне СВЧ.

Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне. Они привели к возникновению нового направления - квантовой или молекулярной микроэлектроники. К этому направлению относятся фазовые переходы в твердых телах и жидких кристаллах, сопровождающихся резкими изменениями электрических, оптических и магнитных свойств. Обусловленная этим высокая чувствительность к внешним воздействиям позволяет легко, осуществлять ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных системах.

Интересными материалами с еще не вполне раскрытыми, перспективами использования их в микроэлектронике являются органические полупроводники.

Микроэлектронные устройства с использованием доменов обладают высокими функциональными возможностями.

Элементы на основе эффекта Ганна. Помимо генераторов и усилителей СВЧ они позволяют создавать такие функциональные устройства, как импульсно-кодовые модуляторы, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, нейристорные линии задержки, полный ряд логических элементов, генераторы колебаний сложной формы, регистры сдвига и запоминающие устройства (ЗУ). На основе этих элементов могут быть созданы сверхбыстродействующие микросхемы (теоретически до 10-12 с), превосходящие по быстродействию лучшие кремниевые микросхемы, по крайней мере, на порядок при том же уровне рассеиваемой мощности.

Малогабаритные СВЧ-генераторы на диодах Ганна уже миновали стадию лабораторных разработок. Они обладают низким уровнем шумов (сравнимым с клистронами) и мощностью излучения, достаточной для использования в радиолокационных устройствах в диапазоне частот 1 - 80 ГГц. Такие: диоды в пролетном режиме генерации обеспечивают выходную мощность 20 - 350 мВт - в непрерывном режиме и.1 - 400 Вт - в импульсном режиме. В режиме ограниченного накопления объемного заряда диоды Ганна позволяют получать импульсную мощность 3 - 6 кВт на частоте 1,5 - 2 ГГц при к. п. д.10 - 20%.

Явления холодной эмиссии, которые позволили создать электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением пленок. Обладая всеми преимуществами вакуумных приборов (высокие входные сопротивления, малые шумы), они характеризуются очень высокой радиационной стойкостью, весьма малыми размерами, высокими рабочими частотами.

Явления живой природы, в частности на молекулярном уровне, позволяющие использовать принципы хранения и обработки информации в живых системах для создания сверхсложных систем обработки информации, приближающихся по своим функциональны; возможностям к человеческому мозгу (искусственный интеллект), а также решать проблему эффективной связи "человек - машина". Эти явления открывают новое направление - биоэлектронику. Развитие этого направления может привести к научно технической революции в электронике, последствия которой трудно предвидеть.

Функциональные микросхемы, в которых используется эффект накопления и переноса зарядов, что позволяет реализовать плотность размещения элементов 3.104 элемент/см2. Такие приборы по существу представляют собой МДП-структуры, они весьма технологичны (число технологических операций в два раза меньше по сравнению с обычной МДП-технологией). Приборы с переносом заряда (ППЗ), или приборы с зарядовой связью (ПЗС), могут стать основой построения логических схем, линий задержки, схем памяти и систем для получения изображений. Сравнительная простота технологии изготовления ПЗС по сравнению с системами на обычных МДП-транзисторах и почти десятикратное уменьшение площади схемы (~0,0016 мм2 на 1 бит информации) должны привести к существенному снижению стоимости систем на ПЗС. Использование полевых транзисторов с нитридом кремния в качестве диэлектрика затвора позволяет преодолевать один из основных недостатков полупроводниковых ЗУ - потерю информации при отключении питания. Такие ЗУ дают возможность реализовать плотность размещения элементов до 108 элемент/см2 при времени записи 10-6 с.

Другой тип управления электрическими неоднородностями в однородном материале состоит в помещении зарядов в потенциальные ямы в приэлектродной области. И здесь выполнение заданных функций достигается топологией контактов. Очень перспективно объединение методов, сочетающих заряд в потенциальных ямах с захватом и хранением заряда в поверхностном слое (электретный эффект), что позволяет совместить длительное хранение больших объемов, информации и ее обработку.

Интересные возможности для реализации быстродействующих ЗУ большого объема представляют переключатели на основе аморфных материалов (не имеющие кристаллического строения), обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой. Время переключения прибора составляет 1,5.10-10 с. На основе элементов из халькогенидных стекол создано постоянное ЗУ на 256 бит с возможностью электрической перезаписи и высокой плотностью упаковки структуры, сравнимой с достигнутой плотностью в биполярной и МДП-технологии. Емкость ЗУ может возрасти до 106 бит. Эти приборы обеспечивают хранение информации без расхода энергии и считывание без разрушения, обладают симметричностью вольт-амперных характеристик и высокой радиационной стойкостью.

Наиболее перспективными из аморфных полупроводников (пленки толщиной не более 1 мкм) является S, Ge, As, Те, In, Sb, Se или их сплавы, а также диэлектрики на основе окислов этих полупроводников или окислов тугоплавких металлов переходной группы, например Gr, Ti, Та, Mo, Nb.

Аморфные материалы классифицируют следующим образом:

материалы с резко изменяющимся, значением удельного сопротивления (рис.2, а);.

материалы с отрицательным дифференциальным сопротивлением до 106 Ом (рис.2, б);

материалы с двумя управляемыми состояниями электропроводности (рис.2, в); сопротивления этих материалов могут различаться на семь порядков, а время переключения составляет 10-9 с;

материалы с двумя устойчивыми состояниями переключения (рис.2, г);

функциональные материалы, объединяющие свойства перечисленных материалов (рис.2 д).



Рис.2 Общий вид вольт-амперных характеристик различных аморфных материалов.

Анализ вольт-амперных характеристик аморфных материалов показывает, что их проводимость в ряде случаев скачком изменяется на несколько порядков и сохраняется в таком состоянии неограниченно долго. Эти свойства аморфных материалов уже дали возможность построить пороговые переключатели, ячейки памяти, перестраиваемые ключи памяти с двумя устойчивыми состояниями. На основе аморфных полупроводников развиваются перспективные приборы - туннельные пленочные эмиттеры (рис.3). По внешнему виду эти приборы почти не отличаются от конденсаторных структур типа "металл - диэлектрик - металл", однако принцип их работы иной. Пленка диэлектрика очень тонкая, способная пропускать токи до 0,01 А, верхний электрод также достаточно тонкий (не более 50 нм). Принцип работы пленочных эмиттеров следующий. Электроны из катода (толщиной порядка 0,5 мкм) попадают в диэлектрик и в зависимости от толщины аморфной пленки диэлектрика разгоняются в нем до больших скоростей либо рассеиваются со значительным потерями энергии. Толщину диэлектрика выбирают минимальной, однако такой, чтобы сохранялась сплошная структура пленки и не было частичных микропробоев диэлектрика. Рабочая толщина диэлектрика обычно не превышает 40 нм. Так называемые горячие электроны просачиваются через потенциальный барьер и мигрируют через наружный электрод в вакуум. Пленочная структура металл - диэлектрик - металл выполняет фактически функцию холодного катода, который в отличие от обычных катодов почти не шумит, обладает повышенной радиационной стойкостью и очень малыми размерами при большом токе эмиссии с единицы поверхности.

Отметим, что интервал рабочих температур аморфных переключателей и ячеек памяти составляет от - 180 до +180°С.

Представляют большой интерес функциональные элементы с управляемым отрицательным сопротивлением на основе аморфных материалов. Эти приборы можно подразделить на две категории: 1) приборы, управляемые током и обладающие отрицательным дифференциальным сопротивлением (приборы с S-образной характеристикой); 2) приборы, управляемые напряжением и обладающие эффектом памяти (приборы с N-образной характеристикой). Первый тип приборов реализуется на пленках окислов Та, Ti, Nb, второй - на пленках диэлектриков, содержащих окислы, сульфиды и флюориды.

Рисунок 3. Структура накаливаемого пленочного эмиттера

1 - подложка; 2 - алюминий, золото или вольфрам; 3 - золото; 4 - SiO2 или Al2O3; 5 - алюминий; 6 - грунтующий подслой из SiO2.

Когерентные свойства сигнала для создания ряда новых твердотельных функциональных приборов: генераторов синусоидальных колебаний, усилителей, умножителей, преобразователей частоты, фазовращателей, трансформаторов, линий задержки, нейристорных линий, логических элементов, ячеек памяти и т.д. Следует особо выделить специфическое физическое явление, основанное на квантовых когерентных свойствах носителей заряда - эффект Джозефсона. Суть его состоит в том, что через достаточно тонкую (порядка 2 нм) диэлектрическую прослойку между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствие разности потенциалов может протекать своеобразный туннельный ток, легко управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами. Значения параметров приборов, основанных на этом эффекте, существенно превышают значения соответствующих параметров приборов интегральной микроэлектроники. Исследования показали, что быстродействие отдельных приборов на эффекте Джозефсона достигает 20 - 30 пс, а мощность рассеяния равна 100 нВт, т.е. во много раз меньше, чем в обычных интегральных микросхемах. Основная трудность при изготовлении таких приборов - получение стабильного диэлектрика при толщинах порядка 2 нм.

Есть несколько направлений по которым можно развивать элементную базу могущих дать высокие показатели или обладающих какими-либо преимуществами. Но одинаково мощно развивать все направления... Это дорогостоящие направления.

ЭВМ на сверхпроводящих элементах.

Одной из перспективных ветвей является "туннельный Джозефсоновский криотрон" который основан на использовании эффектов "слабой" сверхпроводимости.

Он обладает следующими параметрами:

Размер контактов: - 10 мкм.

Время срабатывания вентиля: - 10^-10...10^-11 с.

Энерговыделение при переключении: - 10^-17 Дж, теоретический предельно возможная до 10^-19 Дж.

Показатели быстродействия и уровень тепловыделения пока вроде вне конкуренции.

Размеры вентиля приведены на конец 80-х 20 века. Возможно что данный вентиль можно исполнить по 45 нм технологическим нормам.

Пока основная проблема с данной элементной базой - требуется заливать как минимум жидким азотом. Массовое использование требует создание ВТСП способных находится в сверхпроводящем состоянии при температуре 200-400 К. Причем нужны "слаботочные" сверхпроводники.

А "слаботочные" сверхпроводники создать проще чем "сильноточные", что показала практика создания низкотемпературных сверхпроводников. Так что надежда на появление ЭВМ на сверхпроводящих вентилях на "высокотемпературных" "низкоточных" ВТСП в 21 веке есть.

ЭВМ на оптических элементах.

Такие логические элементы обладают многими заманчивыми свойствами, например могут быть совершенно не чувствительны к ЭМИ. Что важно для "военной" электроники.

Однако размер логической ячейки такого оптического "ключа" - 500 нм и более. Он ограничен длиной волны светового излучения. излучение длиной волны менее 500 нм рушит структуру кристаллов.

Так что у "оптронного" компьютера а) крупные логические ячейки, а значит крупный он сам б) вероятно высокая сложность производства в) боится радиации все равно, но видимо меньше чем обычный полупроводниковый компьютер г) он может например напрямую подключатся к оптическим кабельным линиям.

В общем хорошая ветвь развития "боевой электроники".

ЭВМ на полупроводниковых элементах.

С этим все знакомы. 45 нм техпроцесс, который приблизился к вершине довольно близко, большое энерговыделение современных процессоров и т.д. и т.п.

Процессоры начали делать многоядерными от того что гнать частоту дальше особо не получается и техпроцесс к вершине подошел. Вот и наращивают число ядер начиная параллелить задачи.

ЭВМ на элементах на углеродных нанотрубках.

Бурно развивающаяся область.

Это и "транзистор" на Y-образной углеродной нанотрубке.

И другие более экзотичные типы вентилей...

Элементы на углеродных нанотрубках круты, даже сейчас.

Особено интересно то что они могут "комбинироваться" с полупроводниковыми, например как в новом типе FLASH-ячейки памяти которая меньше обычной в 4 раза.

Еще - из углеродных нанотрубок можно делать "углеродные провода" которые будут обладать металлическим типом проводимости при меньшем весе при сравнимых габаритах проводника. Интересно их применение например в электромоторах вместо металлических обмоток.

Но вот как их "сращивать" между собой - я представляю только обжимать на них металлические (медь, серебро и т.д.) наконечники, которые потом спаивать между собой.

ЭВМ на элементах молекулярного/атомарного монтажа.

Монтировать ЭВМ путем молекулярной/атомной сборки.

Атомную сборку уже можно осуществлять сканирующим электронным микроскопом. Но пока это долго. Возможно удастся повысить скорость если в смогут одновременно заставить работать несколько "рабочих органов" на одну "подложку".

Теоретический - самые "крутые" компы можно так собирать. Но пока нет технологий скоростной массовой сборки атомарных/молекулярных схем и устройств.

ЭВМ на квантовых элементах.

Есть сообщение о "квантовом процессоре", но - это "специализированная шифромолотилка" для матричных вычислений, "универсальный" процессор на этом эффекте не получается пока.

Направление интересное, но квантовые вычислители могут так и остаться "матричными сопроцессорами" в обычных вычислительных системах.

Правда к ним примыкает КТ-связь... Но там тоже есть своим моменты. Хотя компьютер с КТ-обменом хотябы междублочным - заманчивая штука. Но сложная в реализации, надо устанавливать соединения между множеством "квантовых пар"...

Итого есть 5 "направлений".

1) ЭВМ на сверхпроводящих элементах.

2) ЭВМ на оптических элементах.

3) ЭВМ на полупроводниковых элементах.

4) ЭВМ на элементах на углеродных нанотрубках.

5) ЭВМ на элементах молекулярного/атомарного монтажа.

6) ЭВМ на квантовых элементах.

Причем видим, что пока наиболее развито направление 3, которое начало активно сливаться с направлением 4. Это и "гибридная" FLASH-память и многое другое.

Также сейчас вполне логично будет использование оптоволокна для разводки "логических шин" сначала для междублочного обмена в компьютере, а потом и между СБИС.

Причем для "быстрых" оптических модуляторов будут использовать нанотрубки. Лазерные диоды недостаточно быстродействующие для модуляции с нужной скоростью...

В общем мне кажется наиболее логичным что в конце концов будут "гибридные" СБИС сочетающие в себе все технологии: сверхпроводящее процессорное ядро, обвязка из полупроводниково-наноуглеродных элементов, внешняя оптическая шина. И так будет весьма долго видимо.

Но наиболее мощные "военные" машины наверное будут собираться на молекулярном/атомарном уровне. Но их стоимость и время производства будут соответствовать их супер характеристикам...

Материал, имеющий свойство сверхпроводимости при комнатной температуре

Новый сверхпроводниковый материал, созданный канадско-немецкой группой исследователей на основе компаунда из кремния и водорода, не требует охлаждения.

Вместо охлаждения до очень низких температур, необходимого для обычных сверхпроводников, новый материал должен быть сжат под высоким давлением. Исследователи утверждают, что из него в перспективе можно будет изготавливать провода, которые будут работать при комнатной температуре.

Новое семейство сверхпроводников основано на водородном компаунде под названием «силан», который является кремниевым аналогом метана -- один атом кремния и четыре атома водорода формируют молекулярный гидрид (в метане место атома кремния занимает атом углерода).

Исследователи долгое время предполагали, что водород под достаточным давлением может обладать свойством сверхпроводимости при комнатной температуре, но не могли создать условия, необходимые для практической проверки (водород очень сложно сжать). Добавка кремния решила проблему, поскольку позволила уменьшить необходимую степень сжатия.

Конечно, о коммерциализации говорить рано -- установка, создающая повышенное давление, может стать не меньшим препятствием, чем установка, создающая сверхнизкую температуру, но направление, выбранное исследователями, выглядит перспективным.

Многокристальные модули

Патентуется устройство гибридного многокристального модуля, устанавливаемого на материнской плате компьютера, обеспечивающее эффективное охлаждение тепловыделяющего элемента, входящего в состав модуля. Элементы с низкой рабочей температурой размещаются на верхней поверхности, содержащей печатный монтаж, а тепловыделяющий процессор закрепляется в углублении, имеющемся на нижней части платы. Его выводы закрепляются на контактных площадках не поверхности, а тепловой контакт непосредственно с металлизированной поверхностью материнской платы обеспечивается с помощью металлической прокладки.

Также рассматриваются проблемы конструирования толстопленочных многокристальных модулей на керамических подложках. Приведены типовые значения линейных коэф. расширения и теплопроводности для керамик различного состава, которые сравниваются со значениями соотв. параметров для материала FR-4. Описаны методы и устройства для подгонки номиналов пассивных элементов. Описан диф. активный зонд типа Р6427, отличающийся крайне низкой величиной входной емкости и приведены примеры его применения. Поэтапно описана технология производства многокристального модуля СВЧ диапазона на керамической подложке.

Появилось изобретение, касающееся многокристальных модулей, в частности модулей с улучшенными электродными площадками подложки модуля. Модуль состоит из множества бескорпусных кристаллов, смонтированных на подложке, и электродных площадок для установки подложки на ППЛ. Каждая электродная площадка разделена на множество отдельных площадок, каждая из которых индивидуально соединяется с соотв. электродным выводом. Каждая индивидуальная площадка сформирована с возможностью подсоединения к испытуемому прибору и обеспечения инструментальной инспекции эл. свойств кристаллов.

Предложен многокристальный модуль, содержащий несколько ИС, расположенных в вертикальном направлении. Каждая ИС располагается на основании образующим полость, имеющую основание и боковые стенки, причем ИС располагается на основании полости. Соседние полости имеют эл. и термический контакты. На поверхностях полостей сформированы токопроводящие дорожки с контактными площадками, которые используются как для соединения полостей между собой, так и с внешними трактами.

Большие кристаллы или многокристальные модули-перспективы систем с высокими характеристиками--т ехнология производства микросхем, работающих на высоких частотах и обладающих совершенными параметрами, находится на распутье: конкуренция полупроводниковых кристаллов большого размера и многокристальных модулей требует проведения всесторонних исследований. Сравнительный анализ показывает, что оба решения имеют свои преимущества и недостатки в отношении технологичности, стоимости и возможности реализации требуемых характеристик. Предполагается, что компромисс м. б. достигнут при использовании технологии и конструкции корпуса, получивших наименование DiePack. Квадратный корпус дает возможность размещения одного кристалла с размерами 18*18 мм или четырех с размерами 4*4 мм. Библ. 10.

Предложен многокристальный модуль, предназначенный для использования в составе систем высокой степенью интеграции. Цель достигается посредством использования многокристального модуля с малой высотой корпуса. Особенностью модуля является использование стабилизирующих элементов, расположенных в углах корпуса. К упомянутым стабилизирующим элементам внутри корпуса модуля присоединены выводы активных элементов модуля

Метод многокристальных модулей (МКМ) позволяет резко повысить быстродействие и плотность упаковки элементов РЭА при одновременном уменьшении их размеров, массы и стоимости. Отличительной особенностью МКМ является монтаж нескольких бескорпусных или собранных в микрокорпус кристаллов (ИС) на общей подложке. Все конструкции МКМ имеют одну общую характеристику; отсутствие необходимости корпусирования отдельных ИС. Поэтому в МКМ по сравнению с традиционными методами сборки достигаются следующие преимущества: малые габариты, меньшая масса, более высокие рабочие характеристики, меньшая стоимость. Приводится классификация МКМ в зависимости от способа изготовления и подложки. Приводятся основные методы создания многоуровневой разводки (МУР), а именно: МКМ с толстопленочной МУР, МКМ на спеченной керамике; МКМ с ламинированной структурой МУР, МКМ с тонкопленочной МУР; МКМ на кремниевой подложке. Приводятся характеристики и области применения различных типов МКМ.

Тема 4. Информационные компьютерные системы Классификация информационных систем Безопасность человека при работе с компьютером Эргономические аспекты эксплуатации компьютерных систем

В прошлом информация считалась сферой бюрократической работы и ограниченным инструментом для принятия решений. Сегодня информацию рассматривают как один из основных ресурсов развития общества, а информационные системы и технологии как средство повышения производительности и эффективности работы людей.

Наиболее широко информационные системы и технологии используются в производственной, управленческой и финансовой деятельности, хотя начались подвижки в сознании людей, занятых и в других сферах, относительно необходимости их внедрения и активного применения. Это определило угол зрения, под которым будут рассмотрены основные области их применения. Главное внимание уделяется рассмотрению информационных систем и технологий с позиций использования их возможностей для повышения эффективности труда работников информационной сферы производства и поддержки принятия решений в организациях (фирмах).

Цель главы - изложить основные идеи, связанные с использованием информационных систем и информационных технологий, познакомить с существующим разнообразием типов систем, определяющих соответствующую информационную технологию работы на персональном компьютере в целях поддержки принятия решений.

Понятие информационной системы

Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как объединенная в интересах достижения поставленных целей совокупность разнородных элементов. Системы значительно отличаются между собой как по составу, так и по главным целям.

Пример 1. Приведем несколько систем, состоящих из разных элементов и направленных на реализацию разных целей.

Система	Элементы системы	Главная цель системы
Фирма	Люди, оборудование, материалы, здания и др.	Производство товаров
Компьютер	Электронные и электромеханические элементы, линии связи и др.	Обработка данных
Телекоммуникационная система	Компьютеры, модемы, кабели, сетевое программное обеспечение и др.	Передача информации
Информационная система	Компьютеры, компьютерные сети, люди, информационное и программное обеспечение	Производство профессиональной информации

В информатике понятие "система" широко распространено и имеет множество смысловых значений. Чаще всего оно используется применительно к набору технических средств и программ. Системой может называться аппаратная часть компьютера. Системой может также считаться множество программ для решения конкретных прикладных задач, дополненных процедурами ведения документации и управления расчетами.

Добавление к понятию "система" слова "информационная" отражает цель ее создания и функционирования. Информационные системы обеспечивают сбор, хранение, обработку, поиск, выдачу информации, необходимой в процессе принятия решений задач из любой области. Они помогают анализировать проблемы и создавать новые продукты.

Информационная система - взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Современное понимание информационной системы предполагает использование в качестве основного технического средства переработки информации персонального компьютера. В крупных организациях наряду с персональным компьютером в состав технической базы информационной системы может входить мэйнфрейм или суперЭВМ. Кроме того, техническое воплощение информационной системы само по себе ничего не будет значить, если не учтена роль человека, для которого предназначена производимая информация и без которого невозможно ее получение и представление.

Внимание! Под организацией будем понимать сообщество людей, объединенных общими целями и использующих общие материальные и финансовые средства для производства материальных и информационных продуктов и услуг. В тексте на равноправных началах будут употребляться два слова: "организация" и "фирма".

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационными системами. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом для информационных систем. Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Этапы развития информационных систем

История развития информационных систем и цели их использования на разных периодах представлены в таблица 1.1 http://www.stu.ru/inform/glaves/glava3/ - tab_3_1

Таблица 1.1 Изменение подхода к использованию информационных систем

Период времени	Концепция использования информации	Вид информационных систем	Цель использования
1950 - 1960 гг.	Бумажный поток расчетных документов	Информационные системы обработки расчетных документов на электромеханических бухгалтерских машинах	Повышение скорости обработки документов Упрощение процедуры обработки счетов и расчета зарплаты
1960 - 1970 гг.	Основная помощь в подготовке отчетов	Управленческие информационные системы для производственной информации	Ускорение процесса подготовки отчетности
1970 -1980 гг.	Управленческий контроль реализации (продаж)	Системы поддержки принятия решений Системы для высшего звена управления	Выборка наиболее рационального решения
1980 -2000 гг.	Информация - стратегический ресурс, обеспечивающий конкурентное преимущество	Стратегические информационные системы Автоматизированные офисы	Выживание и процветание фирмы

Первые информационные системы появились в 50-х гг. В эти годы они были предназначены для обработки счетов и расчета зарплаты, а реализовывались на электромеханических бухгалтерских счетных машинах. Это приводило к некоторому сокращению затрат и времени на подготовку бумажных документов.

60-е гг. знаменуются изменением отношения к информационным системам. Информация, полученная из них, стала применяться для периодической отчетности по многим параметрам. Дня этого организациям требовалось компьютерное оборудование широкого назначения, способное обслуживать множество функций, а не только обрабатывать счета и считать зарплату, как было ранее.

В 70-х - начале 80-х гг. информационные системы начинают широко использоваться в качестве средства управленческого контроля, поддерживающего и ускоряющего процесс принятия решений.

К концу 80-х гг. концепция использования информационных систем вновь изменяется. Они становятся стратегическим источником информации и используются на всех уровнях организации любого профиля. Информационные системы этого периода, предоставляя вовремя нужную информацию, помогают организации достичь успеха в своей деятельности, создавать новые товары и услуги, находить новые рынки сбыта, обеспечивать себе достойных партнеров, организовывать выпуск продукции по низкой цене и многое другое.

Процессы в информационной системе

Процессы, обеспечивающие работу информационной системы любого назначения, условно можно представить в виде схемы Рис. 1.1. состоящей из блоков:

ввод информации из внешних или внутренних источников;

обработка входной информации и представление ее в удобном виде;

вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему;

обратная связь - это информация, переработанная людьми данной организации для коррекции входной информации.

Информационная система определяется следующими свойствами:

любая информационная система может быть подвергнута анализу, построена и управляема на основе общих принципов построения систем;

информационная система является динамичной и развивающейся;

при построении информационной системы необходимо использовать системный подход;

выходной продукцией информационной системы является информация, на основе которой принимаются решения;

информационную систему следует воспринимать как человеко-компьютерную систему обработки информации.

В настоящее время сложилось мнение об информационной системе как о системе, реализованной с помощью компьютерной техники. Хотя в общем случае информационную систему можно понимать и в некомпьютерном варианте.

Чтобы разобраться в работе информационной системы, необходимо понять суть проблем, которые она решает, а также организационные процессы, в которые она включена. Так, например, при определении возможности компьютерной информационной системы для поддержки принятия решений следует учитывать:

структурированность решаемых управленческих задач;

Рис. 1.1. Процессы в информационной системе

уровень иерархии управления фирмой, на котором решение должно быть принято;

принадлежность решаемой задачи к той или иной функциональной сфере бизнеса;

вид используемой информационной технологии.

Технология работы в компьютерной информационной системе доступна для понимания специалистом некомпьютерной области и может быть успешно использована для контроля процессов профессиональной деятельности и управления ими.

Что можно ожидать от внедрения информационных систем

внедрение информационных систем может способствовать:

получению более рациональных вариантов решения управленческих задач за счет внедрения математических методов и интеллектуальных систем и т.д.;

освобождению работников от рутинной работы за счет ее автоматизации;

обеспечению достоверности информации;

замене бумажных носителей данных на магнитные диски или ленты, что приводит к более рациональной организации переработки информации на компьютере и снижению объемов документов на бумаге;

совершенствованию структуры потоков информации и системы документооборота в фирме;

уменьшению затрат на производство продуктов и услуг;

предоставлению потребителям уникальных услуг;

отысканию новых рыночных ниш;

привязке к фирме покупателей и поставщиков за счет предоставления им разных скидок и услуг.

Общие положения

Создание и использование информационной системы для любой организации нацелены на решение следующих задач.

1. Структура информационной системы, ее функциональное назначение должны соответствовать целям, стоящим перед организацией. Например, в коммерческой фирме - эффективный бизнес; в государственном предприятии - решение социальных и экономических задач.

2. Информационная система должна контролироваться людьми, ими пониматься и использоваться в соответствии с основными социальными и этическими принципами.

3. Производство достоверной, надежной, своевременной и систематизированной информации.

Построение информационной системы можно сравнить с постройкой дома. Кирпичи, гвозди, цемент и прочие материалы, сложенные вместе, не дают дома. Нужны проект, землеустройство, строительство и др., чтобы появился дом.

Аналогично для создания и использования информационной системы необходимо сначала понять структуру, функции и политику организации, цели управления и принимаемых решений, возможности компьютерной технологии. Информационная система является частью организации, а ключевые элементы любой организации - структура и органы управления, стандартные процедуры, персонал, субкультура.

Построение информационной системы должно начинаться с анализа структуры управления организацией.

Структура управления организацией

Координация работы всех подразделений организации осуществляется через органы управления разного уровня. Под управлением понимают обеспечение поставленной цели при условии реализации следующих функций: организационной, плановой, учетной, анализа, контрольной, стимулирования. Рассмотрим содержание управленческих функций.

Организационная функция заключается в разработке организационной структуры и комплекса нормативных документов: штатного расписания фирмы, отдела, лаборатории, группы и т.п. с указанием подчиненности, ответственности, сферы компетенции, прав, обязанностей и т.п. Чаще всего это излагается в положении по отделу, лаборатории или должностных инструкциях.

Планирование (плановая функция) состоит в разработке и реализации планов по выполнению поставленных задач. Например, бизнес-план для всей фирмы, план производства, план маркетинговых исследований, финансовый план, план проведения научно-исследовательской работы и т.д. на различные сроки (год, квартал, месяц, день).

Учетная функция заключается в разработке или использовании уже готовых форм и методов учета показателей деятельности фирмы: бухгалтерский учет, финансовый учет, управленческий учет и т.п. В общем случае учет можно определить как получение, регистрацию, накопление, обработку и предоставление информации о реальных хозяйственных процессах.

Анализ или аналитическая функция связывается с изучением итогов выполнения планов и заказов, определением влияющих факторов, выявлением резервов, изучением тенденций развития и т.д. Выполняется анализ разными специалистами в зависимости от сложности и уровня анализируемого объекта или процесса. Анализ результатов хозяйственной деятельности фирмы за год и более проводят специалисты, а на уровне цеха, отдела ? менеджер этого уровня (начальник или его заместитель) совместно со специалистом-экономистом.

Контрольная функция чаще всего осуществляется менеджером: контроль за выполнением планов, расходованием материальных ресурсов, использованием финансовых средств и т.п.

Стимулирование или мотивационная функция предполагает разработку и применение различных методов стимулирования труда подчиненных работников:

финансовые стимулы - зарплата, премия, акции, повышение в должности и т.п.;

психологические стимулы - благодарности, грамоты, звания, степени, доски почета и т.п.

В последние годы в сфере управления все активнее стали применяться понятие "принятие решения" и связанные с этим понятием системы, методы, средства поддержки принятия решений.

Принятие решения - акт целенаправленного воздействия на объект управления, основанный на анализе ситуации, определении цели, разработке программы достижения этой цели.

Структура управления любой организации традиционно делится на три уровня: операционный, функциональный и стратегический.

Уровни управления (вид управленческой деятельности) определяются сложностью решаемых задач. Чем сложнее задача, тем более высокий уровень управления требуется для ее решения. При этом следует понимать, что более простых задач, требующих немедленного (оперативного) решения, возникает значительно большее количество, а значит, и уровень управления для них нужен другой - более низкий, где принимаются решения оперативно. При управлении необходимо также учитывать динамику реализации принимаемых решений, что позволяет рассматривать управление под углом временного фактора.

На рис 1.2. отображены три уровня управления, которые соотнесены с такими факторами, как степень возрастания власти, ответственности, сложности решаемых задач, а также динамика принятия решений по реализации задач.



Рис. 1.2. Пирамида уровней управления, отражающая возрастание власти, ответственности, сложности и динамику принятия решений

Операционный (нижний) уровень управления обеспечивает решение многократно повторяющихся задач и операций и быстрое реагирование на изменения входной текущей информации. На этом уровне достаточно велики как объем выполняемых операций, так и динамика принятия управленческих решений. Этот уровень управления часто называют оперативным из-за необходимости быстрого реагирования на изменение ситуации. На уровне оперативного (операционного) управления большой объем занимают учетные задачи.

Пример 2. Некоторые учетные задачи:

учет количества приданной продукции;

учет затрат времени, сырья и материалов при выполнении отдельных производственных операций;

учет произведенной продукции;

бухгалтерский учет и т.д.

Функциональный (тактический) уровень управления обеспечивает решение задач, требующих предварительного анализа информации, подготовленной на первом уровне, На этом уровне большое значение приобретает такая функция управления, как анализ. Объем решаемых задач уменьшается, но возрастает их сложность. При этом не всегда удается выработать нужное решение оперативно, требуется дополнительное время на анализ, осмысление, сбор недостающих сведений и т.п. Управление связано с некоторой задержкой от момента поступления информации до принятия решений и их реализации, а также от момента реализации решений до получения реакции на них..

Стратегический уровень обеспечивает выработку управленческих решений, направленных на достижение долгосрочных стратегических целей организации. Поскольку результаты принимаемых решений проявляются спустя длительное время, особое значение на этом уровне имеет такая функция управления, как стратегическое планирование. Прочие функции управления на этом уровне в настоящее время разработаны недостаточно полно. Часто стратегический уровень управления называют стратегическим или долгосрочным планированием. Правомерность принятого на этом уровне решения может быть подтверждена спустя достаточно длительное время. Могут пройти месяцы или годы. Ответственность за принятие управленческих решений чрезвычайно велика и определяется не только результатами анализа с использованием математического и специального аппарата, но и профессиональной интуицией менеджеров..

Персонал организации

Персонал организации - сотрудники разной степени квалификации и уровней управления - от секретарей, выполняющих простейшие типовые операции обработки, до специалистов и менеджеров, принимающих стратегические решения. На http://www.stu.ru/inform/glaves/glava3/ - ris_3_3 рис. 1.3 показано соответствие разных уровней квалификации персонала уровням управления: