История развития электроники (стр. 3 )

В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропро­цесс­соры для 90% всех персональных компьютеров планеты. По состоянию на 1 января 1998 г. стоимость фирмы – 15 млрд.$, ежегодный доход – 5,1 млрд.$. Гроув исполняет обязанности председателя совета директоров. В 1999 г. ежемесячно фирма производит – 4 квадриллиона транзисторов, т. е. более полумиллиона на каждого жителя планеты. Умельцы с Intel создают знаменитые чипы Pemtium I, II, III.

Андрю Гроув родился 2 сентября 1936 года в Венгрии, его тогда звали Андрош Гроф. Когда советские танки вошли в 1956 г. в Будапешт, Андрош бежал в Австрию и оттуда в Нью-Йорк. За­кон­чил с отличием Сити-колледж, защитил докторскую диссертацию в калифорнийском универ­ситете Беркли. Многие крупные корпорации хотели заполучить молодого ученого специалиста и инже­нера. Гроув достался, благодаря Са, фирме Fairchild, ("Современные технологии автома­ти­за­ции (СТА)" 1/99г. – статья о фирме Intel).

 6.2.3  История создания электронных запоминающих устройств берет начало с изобретения в 1967 г. Диннардом из IBM однотранзисторной динамической запоминающей ячейки для ЗУ с произ­воль­­ной выборкой (ДЗУПВ). Это изобретение оказало сильное и длительное влияние на электрон­ную промышленность текущего времени и отдаленного будущего. Его влияние по общему приз­нанию сравнимо с изобретением самого транзистора. В ячейке объединены один ключ на МОППТ и один конденсатор. МОППТ служит переключателем для заряда (записи) и разряда (считывания). К 1988 г. выпуск таких ячеек занял первое место по количеству из всех искусственных объектов на нашей планете. Са прогнозировал на начало XXI века годовой выпуск этих ячеек 1020 шт. 

На рис. 6.1 показано поперечное сечение ячейки одного из первых серийных ДЗУПВ (Ди­на­мическое Запоминающее Устройство Произвольной Выборки) (емкость 256 кбит). Накопитель­ный конденсатор имеет двухслойный диэлектрик из нитрида кремния на тонком слое термически выращенного оксида кремния. Диэлектрическая постоянная у нитрида ε = 7,5 больше, чем у ок­сида ε = 3,9 , что обеспечивает получение большей емкости на единицу площади. Накопление боль­шего заряда на меньшей площади и более высокую плотность информации. На рис. 6.1: 1 – алюминиевая разрядная шина; 2 – словарные ши­ны из силицида тугоплавкого металла; 3 – об­клад­ка конденсатора из поликремния; 4 – подзатвор­ный диэлектрик из диоксида кремния.

Записанная на эту ячейку информация теряется при отключении источника питани­я (энер­го­зависимая ПЗУ). В 1971 году сотрудник фирмы Intel Фроман-Бенчковски предложил и запустил в серийное производство энергонеза­висимое стираемое программируемое постоянное запоми­на­ющее устройство. Снятие заряда на плавающих затворах этих ПЗУ производилось ультрафиолето­вым светом. Позже инженеры фирмы Intel предложили быстродействующие электрические стира­емые ПЗУ.

Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники по­ло­жив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода назы­ва­ют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эк­ви­валентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответ­ст­вует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.

 6.2.4. Особое значение для массового производства микросхем представляет метод проектирова­ния микросхем, разработанный Деннардом из фирмы IBM. В 1973 г. Деннард и его коллеги пока­зали, что размеры транзистора можно уменьшать без ухудшения его ВАХ (вольт-амперных харак­теристик). Этот метод проектирования получил название закон масштабирования.

6.3. Этапы развития микроэлектроники

 6.3.1. Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматрива­емые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается по­вы­шением степени интеграции.

 6.3.2. Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1) 1960 – 1969гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

2) 1969 – 1975гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС).

3) 1975 – 1980гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС).

4) 1980 – 1985гг. – интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).

5) С 1985г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

 6.3.3. Переход от МИС до УБИС происходил на протяжении четверти века. В качестве параметра количественно иллюстрирующего этот процесс используют ежегодное изменение числа элементов n размещаемых на одном кристалле, что соответствует степени интеграции. По закону Мура число элементов на одной ИС каждые три года возрастает в 4 раза. Наиболее популярны и прибыльны оказались логические кристаллы высокой плотности – микропроцессоры фирмы Intel и Motorolla.

В 1981– 1982 годах прогресс интегральных микросхем СБИС стимулировался наличием тех­­нологии литографии (электронно-лучевая, рентгеновская и на глубоком ультрафиолете от экси­мерного лазера) и наличием производственного оборудования. Уже в 1983 г. как отметил Мур (на международной конференции) ввиду образования излишних производственных мощностей, как в США так и в Азии, прогресс в развитии микроэлектроники стал определяться только ситуацией на рынке. Так уже в 1985 – 1987 годах 80% всех ДЗУПВ в США поставляет уже Япония, так как им удалось усовершенствовать технологию и снизить цены.

6.4. История создания микроэлектроники в СССР ("Вестник Дальневосточного отделения РАН", 1993г., 1 номер)

  По данным опубликованным в вестнике основателем микроэлектроники в СССР был Ста­рос Филипп Георгиевич. Он родился в 1918 г. в пригорода Нью-Йорка, в семье выходца из Греции Саранта. Закончил в 1941 г. колледж, получил диплом инженера-электрика, работал в оборонных исследовательских центрах, а вечерами учился, чтобы сдать экзамен на степень магистра техни­чес­ких наук. В студенческие годы он участвовал в антифашистском движении, вступил в ком­пар­тию США, был дружен с Розенбергами. Когда Розенбергов арестовали, ФБР вызвал и Саранта. После первого же допроса в ФБР Сарант иммигрировал в СССР сменив имя и фамилию. Так у нас появился специалист – , которого коммандировали в Чехославакию главным конструк­то­ром военно-технического института. Когда в 1955 г. Хрущев взял курс на научно-техническую революцию, Староса пригласили в СССР и предложили возглавить специальную лабораторию, соз­данную в Ленинграде под эгидой комитета авиационной техники. Уже в 1958 году Старос выс­тупил на закрытом совещании ведущих работников электронной промышленности с докладом, со­державшим предложение по развитию новой элементной базы, а фактически с программой соз­да­ния новой отрасли науки и техники – микроэлектроники. Эти идеи нашли поддержку в верх­них эшелонах власти, и уже в 1959 г. Старос получил возможность создать свое конструк­торско-тех­но­логическое бюро (АКТБ). В начале 60-х годов там, под руководством Староса, была разработана цифровая управляющая машина (УМ–1) с быстродействием 8 тыс. опер/сек. и продолжитель­нос­тью безотказной работы 250 часов. В ней еще не использовались микросхемы(т. к. их надежнось в то время была очень низкой) и активными элементами служили германиевые транзисторы П15. Однако благодаря страничному монтажу получилась компактная дешевая машина. В 1960 году за создание этой машины Старос получил государственную премию. Ближайший помощник Староса – Иосив Виниаминович Берг (в прошлом Джоэль Берр). Берг после внезапной иммиграции Саран­та поехал искать его в Европу и нашел в Москве, когда тот готовился к отъезду в Прагу. Берр сде­лался Бергом.

В 1962 году АКТБ посетил Хрущев. Ему показали машины УМ–1 и Электроника-200. Поз­д­нее американские специалисты отмечали, что Электроника-200 была первым компьютером со­вет­ского производства, который можно считать хорошо разработанным и удивительно совре­мен­ным. Эта машина, на первых советских интегральных схемах, была способна выполнять 40 тыс. операций в секунду. Хрущев остался доволен.

В это время уже существовал госкомитет электронной промышленности работавший на обо­рону и возглавлял его Александр Шокин – человек прогрессивных взглядов. Он предложил Старосу создать научно-технический центр электронного профиля в подмосковье (г. Зеленоград). Старос с жаром взялся за исполнение и в считанные недели подготовил детальный план органи­за­ции комплекса из нескольких институтов и опытного завода. План получил одобрение в верхах и Старос был назначен научным руководителем будущего центра.

История развития телекоммуникаций.

1. Понятие сообщения, сигнала, канала и системы связи.

ЕАСС-единная автоматизированная система связи.

ВУСС-взаимно-увязанная система связи.

Связь-в широком смысле представляет собой передачу различного типа сообщений изо одного или нескольких пунктов в другой.

Сообщения-это некоторые сведения, которые для разных получателей могут иметь различную ценность, в зависимости от их смыслового содержания.

В теории связи семантические особенности не учитываются и задача средств связи только передача сообщений.

Сигнал-физическая реальность, изменение которой в пространстве и во времени отображает передаваемое сообщение.

Сообщения бывают:

1) непрерывные;

2) дискретные.

Источник сообщения выдаёт много сообщений. Сообщение - это случайный процесс.

x(t) - сообщение, т. е. случайный процесс;

x’(t) - реализация x(t).

Структурная схема системы связи. Системой связью называют функционально-объединенную совокупность устройств и звеньев при помощи, которых модно предать сообщение из одного пункта в другой.

Схема системы связи.

Источник и получатель сообщения в систему связи не входит.

y(t)=S(t)+n(t).

Кодирование позволяет более эффективно использовать систему связи и уменьшить влияние помех и на передачу сообщений.

Кодирование сложный процесс, состоит из ряда операций:

1) преобразование сообщений из одной формы в другую (например, непрерывную в дискретную);

2) устранение эффективной избыточности или эффективное кодирование;

3) введение специально рассчитанной избыточности или помехоустойчивое кодирование.

Устройства, выполняющие эти операции называются кодерами.

Модуляция представляет собой операцию формирования сигналов находящихся в однозначном соответствии с передаваемым сообщением. Эта операция связана с изменением одного из параметров сигнала-переносчика, по закону изменения сообщений.

Выходной каскад передатчика. В нём сигналы усиливаются и с помощью согласующих устройств выводятся в физическую линию связи.

Совокупность операций связанных с преобразованием предаваемых сообщений х(t) в S(t) называется способ формирования сигналов.

Совокупность операций связанных с преобразованием смеси сигнала и помехи называют способом приёма. Из-за помех нет полного соответствия между x(t) и S(t).

Каналом связи называется совокупность средств обеспечивающих передачу сообщения от источника к получателю.

Каналы связи бывают:

1) непрерывные-описывается шириной полосы М и действующих в нём сигналов и помех;

2) дискретные-описывается стохастической матрицей трансформации входных символов в выходные, эта матрица позволяет определить все возможные вероятности переходов элементов входных в выходные.

Многоканальная система позволяет передать сообщения от многих источников к многим источникам одновременно. Работа такой системы осуществляется с помощью аппаратуры уплотнения.

Сообщения из n источников в устройствах уплотнения, в результате чего на его выходе образуется сложный сигнал (t) содержащие все исходные сообщения.

Сигнал (t) называется групповым сигналом, а его способ получения – способом получения сигналов.

Устройства разделения каналов.

Общая часть системы связи называется групповым трактом системы.

Не идеальность характеристик группового тракта приводит к появлению дополнительных искажений, проявляющихся во взаимном влиянии каналов друг на друга, что ухудшает работу системы связи и снижает её показатели.

2. Показатели качества системы связи.

Основные показатели системы связи:

1) достоверность передачи сообщений.

Степень соответствия между принятым и преданным сообщением – называют достоверностью передачи.

При передачи дискретных сообщений достоверность определяется коэффициентом ошибок:

=,

где - это число ошибочно принятых элементов сообщения, -общее число элементов сообщения.

- частность ошибок, величина случайная. Если >>, то с большой точностью . -вероятность ошибок.

При передачи непрерывных сообщений, различие между переданным и принятым сообщением характеризуется случайной ошибкой:

;

принятое сообщение, -полученное сообщение; =+; -случайная помеха на выходе системы связи.

Часто пользуются критерием среднеквадратической ошибки ().

Среднеквадратическая ошибка определяется:

=;

-средняя мощность помехи; -средняя мощность полезного сигнала.

Критерий среднеквадратичной ошибки используется в тех случаях, когда нежелательная ошибка увеличивается. Критерий имеет свойства адетивности.

=;

- значение ошибки от источника.

Р( - одномерная плотность вероятностной помехи. - заданный порог помехи.

Физически это условие соответствует вероятностному отсутствию так называемой аномальной ошибки, т. е. ошибка, которая может иметь несоответствие для получателя. Например: кратковременный выход из строя системы, импульсная помеха и т. д.

2)помехоустойчивость.

Передача информации с требуемой достоверностью предполагает надёжную работу системы связи, это возможно, если система связи обладает высокой надёжностью, т. е. способность приборов и устройств длительно выполнять возложенные на них функции и обеспечивать необходимую помехоустойчивость-способность противостоять действию помех.

Помехоустойчивость зависит от ряда факторов:

1) способы практической реализации системы связи;

2) элементарной базы;

3) изготовление, технология аппаратуры;

4) условия эксплуатации;

5) принципы построения системы связи и т. д.

Надёжность системы связи количественно оценивается вероятностью того, что аппаратура будет выполнять свои функции в течение заданного времени.

Отношение сигнал-шум – фактор оценивающий помехоустойчивость системы связи:

.

Чем меньше требуется отношение сигнал-шум, тем выше помехоустойчивость системы связи.

.

3) скорость передачи информации.

Если передача непрерывных сообщений осуществляется в реальном масштабе времени. Однако, часть бывает целесообразно сообщение записать, а потом передать со скоростью отличающуюся в большую или меньшую сторону от времени создания. Это позволяет эффективно использовать каналы связи.

Численно скорость передачи определяется количеством информации поступившей от отправителя к получателю за 1 секунду. Измеряется бит в секунду.

Скорость зависит:

1) от сообщения и статистических его свойств;

2) характеристик канала связи;

3) искажения и помех в канале.

Очень часто при передаче дискретных сообщений для характеристик аппаратной части системы связи пользуются понятием технической скорости передачи,

.

Предельная возможность скорости передачи оценивают величиной пропускной способности канала, численно определяется максимальным количеством информации передаваемой по нему за 1 секунду.

,

где эффективная полоса частот канала связи; средняя мощность помехи.

4) эффективность системы связи.

Для оценки качества работы используют показатели, связанные с затратами.

Затраты: 1) энергетические; 2) полоса частот ; 3) стоимость аппаратуры; 4) массогаба­ритные и т. д.

Совокупность свойств характеризующих экономичность системы с точки зрения затрат называют эффективность системы связи.

Для выбора системы связи по эффективности используют критерии, при этом учитывают определённые заранее установленные ограничения на некоторые параметры и характеристики системы связи.

Критерий удельных затрат - это такие критерии, в соответствие с которыми системы связи оцениваются величиной затрат на передачу 1 бита информации при заданной достоверности.

- удельная энергетическая затрата, где - энергия сигнала на входе приёмника затраченная на передачу 1 бита; -спектральная плотность помехи.

- удельная затрата полосы, где - эквивалентная полоса пропускания системы связи;

R - скорость передачи (бит*сек).

Значение и можно рассматривать как показатели работы системы связи.

3. Классификация систем и линий передачи информации.

Признаки классификации:

1) область применения (телефонные системы, передача данных, телевидение, телеметрия);

2) по форме сообщения (дискретные, непрерывные);

3) по виду линейного сигнала (непрерывная, импульсная);

4) по диапазону рабочих частот и ширине полосы (узкополосные, широкополосные);

5) по виду связи (стационарные, мобильные);

6) по принципу уплотнения и разделения (временное, частотное, по коду).

Все системы связи делятся на две группы:

1) системы со свободным распространением сигналов: a~; уровень рассеяния сигнала пропорционален квадрату расстояния между передатчиком и приёмником (радиотехнические);

2) системы с направленным распространением сигналов.

Принудительное распространение сигнала. Для этого используется устройства. Энергия в них не рассеивается, а поглощается направляющим устройством. Системы стабильны, являются идеальными с точки зрения достоверности. Идеальное решение проблемы электромагнитной совместности - высокая пропускная способность. Однако, эти системы очень дороги, требуют создания усилительных ретрансляционных пунктов.

Проблемы:

1) проблемы электромагнитной совместимости, действие помех;

2) высокая экономичность, гибкость, мобильность.

Системы со свободным распространением сигналов делятся на:

1) системы с постоянными параметрами - системы, в которых параметры сигнала проходя через среду распространения не претерпевают существенных случайных изменений, за исключением фазы (системы радиорелейной связи, спутниковой связи – они работают в диапазоне сантиметровых волн);

2) системы со случайными параметрами – параметры сигнала изменяются про прохождение через среду. Эти изменения приёмника или в системах с отражённой или прямой волной (коротковолновые системы - сигналы претерпевают глубокие замирания).

4. Основные виды систем передачи информации.

При длине волны l=3-10 метров, радиосигналы хорошо отражаются от ионосферы, что позволяет распространяться им на 2000 км.

При l<3 метров радиоволны распространяются в пределах видимости.

Классификация волн:

Название радиоволны	Длина волны, l	Диапазон,	Область применения
СДВ (мириаметровые)	10-100 км	30-3 кГц	РНС, РТЛТ, метео - подводная связь
ДВ (километровые)	1-10 км	30-300 кГц	Радиовещание, РТЛТ, РНС
СВ (гектомтровые)	м	кГц	Так же как и в ДВ
КВ (декаметровые)	10-100 м	30-3 МГц	Радиосвязь, РТЛТ, РВ, служебная связь
Метровые	1-10 м	300-30 МГц	Телевидение, РНС, ИСЗ
У Дециметровые	10-100 см	МГц	Телевидение, РНС, ИСЗ
К Сантиметровые	1-10 см	30-3 ГГц	Так же как и в метровых
В Миллиметровые	1-10 мм	300-30 ГГц	TV, РНС, ИСЗ, РЛР
Децимиллиметровые	0,1-1 мм	ГГц

Атмосферные слои: Тропосфера 16-18км; Стратосфера 60-80 км; Ионосфера >80 км; d-слой 100км (ночью отсутствует); E-слой 200км; -слой 250км; -слой 400 км.

Пути распространения волн. Распространение волн в прямой видимости основное распространение, уменьшает влияние различных радиосистем, позволяют использовать один и тот же диапазон в системах невидимости радиосигналов. Малый уровень промышленных атмосферных помех.

Возможность реализации малогабаритных антенн с узкой диаграммой направленности, что позволяет уменьшить влияние других радиосистем и понизить мощность радиопередатчика.

5. Радиорелейные линии связи.

Радиорелейные линии связи - основной вид радиосвязи для передачи больших объёмов информации, они передают весь спектр сообщений.

РРЛ - основной вид связи, который служит для обвязки сотовой станции. Длина волны сантиметровая (УКВ) в пределах видимости (50-70 км).

При комплексной связи на каждом ретрансляторе имеются две станции (передача и приём происходят на разных частотах). Недостаток двухчастотной передачи, является тот факт, что на приёмник одного направления может попасть сигнал с противоположного (борьба – установить ретрансляторы змейкой, бороться с боковыми лепестками). Для повышения эффективности и увеличение пропускной способности на одном ретрансляторе устанавливают несколько комплектов приёмных передатчиков, т. е. организуют несколько высоко частотных радиостволов. Диапазон работы современных радиорелейной радиосвязи f =1,2,4,6…16 ГГц.

6. Спутниковые системы связи.

1945-идея принадлежит Кларку;

1958-первые искусственный спутник земли связи с пассивными отражателями;

1962-первый искусственный спутник земли с ретранслятором на борту (Telstar) - низкогаборитный;

1963 - первый нестационарный спутник (Syncom);

1965 - геостационарный спутник – начало отсчёта спутниковой связи (Intersat).

Преимущества спутниковых систем связи:

1) линии связи обладают большой пропускной способностью;

2) они покрывают огромные расстояния;

3) высокая надёжность (помех практический нет).

Спутниковые системы связи уникальны и эффективны.

Виды искусственных спутников земли:

1) низкоорбитальные (км);

2) среднеорбитальные (от 5000 км);

3) геостационарные (36000 км).

Преимущество 3-го вида искусственных спутников земли в том, что передача и приём сиг­на­ла возможны при неподвижных антеннах и высота такова, что спутники «виснут» и охватывают 1\3 поверхности Земного шара. Недостатки: вследствии большой высоты орбиты необходимо иметь антенны с большими коэффициентами усиления, кроме того нужно удерживать спутник на орбите, для чего на ИСЗ нужно иметь двигатели и систему управления (ресурс 5 - 7 лет).

Вероятность ошибки -, скорость передачи 10 мегабит\сек. Спутниковая связь занимает 5-10% мирового трафика.

Эффективная экономичность системы связи для пользователя считается оправданной при организации связи на расстояние более 800 км.

Основные принципы спутниковых систем: ретрансляция информации-многостанциооный доступ. Более сложные ретрансляторы имеют несколько антенн, что обеспечивает передачу сигналов на землю после усиления и ориентации луча заданной поверхности при этом коммутация сигналов происходит с помощью матриц.

Существуют ретрансляторы осуществляющие демодуляцию сигналов и излучение новых сигналов в соответствующие модуляции - ретрансляторы с обработкой.