ПЕРЕВОДНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ ЛИТЕРА ТУРА
нология
THE IMPACT OF
MICROELECTRONICS
TEOINOLOGY^

МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
И ЕЕ ВЛИЯНИЕ
НА ОБЩЕСТВО
THE IMPACT OF
MICROELECTRONICS
TECHNOLOGY

The Impact of
Microelectronics
Technology
EDITED BY MERVYN A. JACK
EDINBURGH
University
Press

МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
И ЕЕ ВЛИЯНИЕ
НА ОБЩЕСТВО
Перевод с английского
В.А. СВИРИДЕНКО
Издательство "Знание”
Москва 1987

ББК 32.844.1
М59
М59 Микроэлектронная технология и ее влияние на
общество. Сб. статей. Пер. с англ.— М.: Знание,
1987.— 160 с., ил.
50 к.	50 000 экз.
Стремительное развитие микроэлектроники е последние десятилетия, про¬
никновение ее практически во все сферы нашей жизни заставляют потребителя
быть в курсе развития этой области техники. В книге, написанной известными
английскими учеными — специалистами в области микроэлектроники, рассказы¬
вается о современном состоянии микроэлектроники, ее возможностях и огра¬
ничениях, о ее применениях в различных областях техники и в быту. Соче¬
тание глубины и разносторонности научного материала с популярностью изло¬
жения позволяет читателю получить общее представление о развитии микро¬
электроники.
Рассчитана на широкий круг читателей.
_ 2403000000—029
М - 07~3i02| - 87	38~8Г
ББК 32.844.1
© Edinburgh University Press 1982
22 George Square, Edinburgh
© Издательство «Знание», 1987 г.
Перевод на русский язык, предисловие.

Предисловие к русскому изданию
Разработка в начале 70-х годов первых микропроцес¬
соров привела к повсеместному внедрению средств вычи¬
слительной техники в промышленность, связь, транспорт,
военное дело, а в последнее время и в медицину,
образование, обслуживание, бытовую технику и другие
нетрадиционные для применения ЭВМ области. Это дало
мощный стимул процессу компьютеризации, в который
вовлекается широкий круг потенциальных потребителей
(пользователей) нового вида услуг — информационно¬
вычислительных. Поэтому появилась необходимость в ли¬
тературе, в которой на доступном уровне рассматри¬
вается микроэлектронная технология, микропроцессор¬
ные средства вычислительной техники и их применение
в различных сферах человеческой деятельности, начиная
от управления производством и заканчивая интеллекту¬
альными развлечениями.
Книга, которую держит в руках читатель, принадлежит
именно к такому разряду литературы по электрони¬
ке. В первую очередь она предназначена для молодого
читателя—студента или школьника. Книга даст «пищу
для ума» и другой категории читателей, следящих за
бурным развитием этой области науки и техники, и даже
специалистам по микроэлектронике и компьютерам,
интересующимся применением ЭВМ дома и на работе.
Ее написал коллектив высококвалифицированных спе¬
циалистов, каждый из которых посвятил себя исследова¬
ниям в какой-либо одной области микроэлектроники.
При изложении материала соответствующих глав, краткий
обзор которых приводится во введении, учитывался также
опыт обучения и общения с различными группами
пользователей. Это гарантирует его высокий методиче¬
ский уровень.
5

Основное внимание авторы уделяют изложению ме¬
тодов создания программируемых больших интегральных
схем (БИС) — микропроцессоров, являющихся главными
компонентами микро-ЭВМ, специализированных для ре¬
шения узкого класса задач или универсальных, структуре
микропроцессорных систем и их разнообразным при¬
ложениям. При этом акцент сделан на аппаратное
обеспечение компьютеров, а роль такой важной составля¬
ющей, как программное обеспечение (ПО), недостаточно
выделена. Но как известно, проблема оснащения компью¬
теров, ориентированных на пользователя, не имеющего
специальной подготовки, развитыми программными
средствами крайне сложна. Это обусловлено в первую
очередь тем обстоятельством, что взаимодействие с
вычислительной машиной должно быть максимально про¬
стым, чтобы не создавать психологический барьер и
не предъявлять высокие требования к предварительному
обучению пользователя. Поэтому весьма важен выбор си¬
стемы программирования, основанный на одном или не¬
скольких языках высокого уровня (например, Бейсик,
Фортран, Паскаль и др.), и операционной системы (ОС),
входящих в состав базового программного обеспечения
любых ЭВМ, включая микро-ЭВМ. В зависимости от ти¬
па ЭВМ операционные системы могут значительно отли¬
чаться по своим возможностям, но в их функции обя¬
зательно входят управление заданиями и данными и
управление ресурсами.
Для современных микромашин широкое примене¬
ние находят операционные системы СР/М, МР/М,
СР/NET, а также мощная операционная система
Unix, краткое упоминание о которой и ее вер¬
сиях приводятся в этой книге. Такие ОС позволяют
работать в одно- или многопрограммном режиме и в
составе локальной вычислительной сети.
В последнее время, прошедшее после издания этой
книги на английском языке, в связи с резким падением
стоимости микропроцессорных наборов, обеспечиваю¬
щих создание высокопроизводительных микро-ЭВМ с
развитой архитектурой, разработкой оперативной памяти
большого объема (до 1 Мбайт), появлением накопите¬
лей на твердых магнитных дисках емкостью до 50 Мбайт,
улучшением параметров периферийного оборудования
возник повышенный интерес к персональным компьюте¬
рам с высокими техническими характеристиками.
6

Для повышения производительности создаются мно¬
гопроцессорные микро-ЭВМ, в которых отдельные мик¬
ропроцессоры ориентированы на выполнение специаль¬
ных функций (например, решение задач цифровой обра¬
ботки сигналов, анализа изображений, решение систем
линейных уравнений и т. д.). Это позволяет создавать
системы с исключительно высоким быстродействием
(десятки миллионов элементарных операций в секунду)
за счет распараллеливания вычислительного процесса.
К ним относятся матричные процессоры, конвейерные
ЭВМ, микропроцессоры с «систолической» архитектурой
и др.
Бурный прогресс в области микроэлектронной техно¬
логии и компьютерного образования приведет в скором
времени к новым достижениям в вычислительной тех¬
нике, определяющим основные черты научно-техниче¬
ской революции. А это, в свою очередь, окажет сущест¬
венное влияние на человеческую цивилизацию в це¬
лом и на каждого человека в отдельности, а значит,
приведет к еще большему расцвету творческих способ¬
ностей личности в условиях социалистического общества
и к новым противоречиям в капиталистической системе,
которых авторы касаются лишь вскользь и пытаются
сгладить.
В. А. СВИРИДЕНКО,
доктор технических наук, профессор

Интегральная схема
Что такое микроэлектроника
Микроэлектроника представляет собой одну из наи¬
более развитых технологий, ориентированную на массо¬
вое производство изделий, и позволяет реализовать
в одном кристалле кремния размером 5 мм2 более
полумиллиона электронных компонентов. Таким образом
получаются очень сложные электронные схемы в преде¬
лах одного корпуса размером 50 на 10 мм. Показатель
«стоимость — эффективность» и надежность такой ин¬
тегральной схемы обеспечили им широкое распростране¬
ние и применение во всех типах устройств на основе
микроэлектроники. В настоящее время микроэлектрон¬
ная промышленность характеризуется самым высоким
уровнем производства во всех развитых странах мира.
8

Предисловие
Динамическое развитие технологии в сфере микро¬
электроники, характеризуемое быстрой сменой техно¬
логических процессов, новыми методами производства и
схемотехническими концепциями, а также новыми об¬
ластями применений, заставляет каждого потенциального
пользователя электронного прибора быть в курсе разви¬
тия этой области техники. Такой процесс развития и
побудил авторов, каждый из которых широко известен
своими работами в отдельных областях микроэлектро¬
ники, написать эту книгу.
Все авторы являются сотрудниками электротехничес¬
кого факультета Эдинбургского университета и связанно¬
го с ним Вульфсоновского института микроэлектроники.
Лишь небольшое число академических групп высококва¬
лифицированных специалистов во всем мире могут по¬
хвастаться «командой», способной так широко охватить
весь круг проблем микроэлектронной технологии. Соче¬
тание глубины и разносторонности, свойственное этой
книге, позволяет создать общее представление о рас¬
сматриваемом здесь вопросе и влиянии технологии
на различные стороны жизни общества. Надеемся, что это
привлечет школьников и широкий круг читателей в дан¬
ную область знаний.
Дж. Г. КОЛЛИНЗ
Введение
Электротехнический факультет Эдинбургского уни¬
верситета специализировался на обучении и исследо¬
ваниях в области микроэлектронной технологии в на¬
чале 70-х годов. Прямым следствием этой специали¬
зации стало основание Вульфсоновского института
микроэлектроники и выделение в нем академического
отдела.
Большое число ученых, инженеров и сотрудников
административного аппарата, а также представителей ши¬
рокой публики прослушали курс лекций и бесед по
микроэлектронике. Именно в результате опыта общения
с названной категорией слушателей возникла концепция
этой книги.
9

Каждая ее глава написана штатными сотрудниками
факультета или института, которые специализируются в
определенной области микроэлектроники. В первой главе
дан краткий обзор современного состояния микроэлект¬
роники и отмечено различие между «обычной» элект¬
роникой и микроэлектроникой. Здесь представлена исто¬
рия микроэлектронной технологии от момента появления
первых электронных вычислительных машин до настояще¬
го времени, когда на повестку дня поставлена задача
создания сверхбольших интегральных схем с плотностью
до 1 млн. компонентов в одном малом по размеру
кристалле кремния. При этом проблема проектирования
интегральных схем дополняет проблему разработки на
основе программного обеспечения стандартных ин¬
тегральных микросхем, таких, как микропроцессоры.
В главе «Производство микросхем» подробно рас¬
сматриваются этапы производства интегральных схем.
Несмотря на то что методы обработки постоянно совер¬
шенствуются, определяющие принципы производства ос¬
таются неизменными в течение многих лет, и в данной
главе описываются основные методы получения микро¬
схем: маскирование, фотолитография, ионная имплан¬
тация.
В главе «Микроэлектроника и микропроцессор» рас¬
сказывается о программируемых БИС — микропроцес¬
сорах — интегральных схемах универсального примене¬
ния, которые представляют наибольший интерес для ши¬
рокого круга читателей, знакомых с микроэлектроникой.
Здесь сделана попытка описания перспектив развития
микропроцессоров, рассматривается переход к новым
поколениям этих типов вычислительных устройств.
Далее, отправляясь от основных технологических
позиций, в книге рассматриваются вопросы применения
микроэлектронных приборов.
Следующая глава «Компьютеры дома и на работе»,
дает справочные сведения о различных типах ЭВМ, ко¬
торые могут быть полезны как в домашних условиях,
так и на рабочих местах. В ней обсуждаются основные
принципы построения ЭВМ и описывается применение
персональных компьютеров и процессоров для обработ¬
ки текстов, микро- и мини-ЭВМ, предназначенных для
использования в учреждениях, а также больших машин,
на основе которых создаются большие базы данных.
Персональные ЭВМ представляют собой только один
10

аспект проблемы применения микроэлектроники в това¬
рах., ориентированных на широкий круг пользовате¬
лей. Поэтому в следующей главе дан обзор со¬
временных тенденций внедрения микроэлектронных
приборов в предметы ширпотреба. Подчеркивается важ¬
ность телевизионного приемника как центра для раз¬
влечений на дому и получения информации. Подробно
рассматривается оборудование на базе персональ¬
ного компьютера и развитие систем видеоданных и
телетекста, а также применение видеокассет и видео¬
дисков. Описываются новые типы «говорящих» игрушек
и телевизионных игр, обсуждается неожиданное исполь¬
зование микроэлектронных приборов в автомобилях.
Затем внимание читателя переключается на примене¬
ние микроэлектроники в промышленности. Глава так и
названа: «Микропроцессоры в управлении технологичес¬
кими процессами». Этот класс приборов позволяет повы¬
сить «интеллект» производственного оборудования, его
надежность, безопасность и эффективность, полностью
автоматизировать сложные технологические процессы.
В главе «Микроэлектроника и надежность» рас¬
сматриваются весьма важные вопросы надежности
микроэлектронных приборов и оборудования со встроен¬
ной электронной техникой. Здесь обсуждаются различ¬
ные аварийные режимы приборов и технические приемы
повышения надежности оборудования в течение его
жизненного цикла.
В последней главе материал, представленный в книге,
рассматривается с общих позиций. Анализируется соци¬
альное влияние микроэлектронной технологии на жизнь
общества. Обсуждается использование микропроцессо¬
ров дома, в школе и на работе и делается вывод о
необходимости для человеческого общества применять
средства микроэлектроники для обеспечения более вы¬
сокого уровня цивилизации.
Естественно, нет никаких гарантий, что микроэлектро¬
ника — это технология будущего, но, конечно, это та тех¬
нология, с которой человечество входит в свое будущее
и которая будет влиять как на процессы существо¬
вания общества в целом, так и на жизнь каждого
человека в отдельности.
М. А. ДЖЕК

Microelectronics: Микроэлектроника:
the scene today современное состояние
ДЖ. МЕЙВОР
Микроэлектроника с ее развитой технологией позво¬
ляет крошечному кристаллу кремния выполнять такие же
функции, какие раньше могли реализовать лишь схемы,
содержащие тысячи отдельных транзисторов (а до это¬
го — электронных ламп). Таким образом, микроэлектро¬
ника, или интегральная электроника, отличается от преж¬
ней электроники, развивавшейся 40 лет, в первую оче¬
редь кремниевой интегральной схемой или чипом. Все
традиционные компоненты, такие, как транзисторы или
провода, представлены в самом кристалле кремния в
твердой форме. Большинство же других компонентов
могут быть получены соединением транзисторов.
Задача всей электронной и микроэлектронной техники
заключается в производстве оборудования и изделий,
способных выполнять свои функции при самых малых
размерах изделия, наименьшей массе и предельной
дешевизне. Стоит подчеркнуть, что основная цель состоит
в максимальном уменьшении всех составных частей, т. е.
для миниатюризации аппаратных средств необходимо
миниатюризировать или микроминиатюризировать фор¬
му. Это приводит к тому, что такое электронное обору¬
дование становится меньше, легче, меньше потребляет
энергии, меньше стоит и более надежно в работе,
чем оборудование, собранное из дискретных компонен¬
тов. Интегральные схемы могут быть использованы в лю¬
бых электронных системах и позволяют революционизи¬
ровать многие области техники, включая промышленную
электронику, медицинское оборудование и электронные
товары широкого применения. Примерами последних
J. MAVOR. Microelectronics: the scene today.
12

могут служить карманные калькуляторы и транзистор¬
ные радиоприемники. В них благодаря достижениям
микроэлектроники уменьшены размеры элементов, осу¬
ществляющих преобразование физических величин в
электрические сигналы, и наоборот. При этом большинст¬
во операций по сборке изделий на конвейере автома¬
тизировано. Эго позволило сделать очень высокой на¬
дежность микроэлектронных изделий. Поэтому и надеж¬
ность систем на их основе зависит в первую очередь
от надежности соединений и конструкции в целом, а не от
надежности самих интегральных схем.
Действительные же различия между микроэлектро¬
никой, представляющей собой новую область производ¬
ства, и традиционной электроникой весьма значительны.
Микроэлектроника требует таких глубоких научных зна¬
ний, что вновь созданные компании не могут расти и про¬
цветать без высококвалифицированного персонала. Вмес¬
те с тем необходимы также крупные капиталовложе¬
ния для эффективного проектирования, производства
и испытания микросхем. Так, современный завод по про¬
изводству микроэлектронных приборов требует первона¬
чальных затрат в 20 млн. долларов, включая стоимость
здания и всех его служб. Однако главное внимание
на производстве уделяется высококвалифицированным
специалистам как в области разработки микросхем и их
применения, так и в области их обработки и испытания.
Микроэлектроника — это многосторонняя сфера дея¬
тельности. Здесь требуются знания от физики твердого
тела, электронной техники и физической химии до меха¬
ники. Маловероятно найти такого человека, который был бы
глубоко сведущ хотя бы в двух из указанных областей.
Для непрерывного развития микроэлектронной техноло¬
гии очень важно, чтобы инженеры и научные сотрудники
имели хорошее представление о разных ее сторонах.
Традиционная электроника в отличие от микро¬
электроники возвращает нас к первым десятилетиям
нашего столетия, когда были изобретены вакуумная
трубка и электронная лампа. В это время обычная
осветительная электрическая лампочка была приспособ¬
лена к усилению электрических сигналов. Изобретение
электронной лампы привело в 20-х и 30-х годах к
развитию радио и телевидения, и впервые выявилось в
широких масштабах влияние этой технологии на об¬
щество.
13

Вслед за этим были созданы первые электронные
вычислительные машины, где применялись такие же
электронные лампы, как и в радиоустройствах. Весьма
трудно оценить эти машины, так как они очень мало
похожи на современные компьютеры. Один из первых
полностью электронных компьютеров был разработан
Пенсильванским университетом в 1940 г. и назван ENIAC.
Он занимал комнату размером 10X15 м2 и имел массу
30 т. В нем работали 18 000 ламп, а потребление электро¬
энергии было эквивалентно одновременному включению
180 прожекторов. Несмотря на это, такая машина была
способна выполнять лишь простые вычисления, которые
может сделать обычный современный карманный кальку¬
лятор. Но масса такого калькулятора составляет лишь не¬
сколько десятков граммов, питается он от электри¬
ческой батарейки и стоит всего несколько долларов.
Самостоятельный путь развития калькулятора и его
микроэлектронного эквивалента — микропроцессора в
отличие от совершенствования радио и телевизионных
устройств на основе внедрения в них микроэлектрон¬
ных приборов в настоящее время привел к значитель¬
ным изменениям в человеческом обществе. Широкая
доступность к вычислительным мощностям позволила
получить многие новые товары и услуги. Как же это стало
возможно и каким путем все пришло к нам? Ответом
на эти вопросы является создание транзистора сотрудни¬
ками фирмы Bell Telephone Laboratories, первая демонст¬
рация которого состоялась в 1947 г. Основное достоин¬
ство транзисторов по сравнению с электронными лампа¬
ми заключается в том, что они значительно меньше по раз¬
меру, потребляет гораздо меньше электроэнергии и су¬
щественно более надежен. Изобретение транзистора по¬
служило импульсом для создания электронной промыш¬
ленности, и в период с 1947 по 1958 г. технология
полупроводниковых транзисторов непрерывно совершен¬
ствовалась и послужила началом новой отрасли произ¬
водства — полупроводниковой. В 1957 г. в США уже было
организовано 57 полупроводниковых фирм с высоким
уровнем занятости.
Изобретение биполярного транзистора позволило со¬
здать малогабаритное, легкое, более надежное, с лучши¬
ми характеристиками и более дешевое электронное
оборудование, чем аналогичные по назначению устройст¬
ва на электронных лампах. Это изобретение стало
14

Печатная плата с интегральными схемами. Современные печатные
платы позволяют разместить много микроэлектронных приборов.
Обычно в ней содержится несколько БИС (на фото — большие белые
корпуса) и ряд интегральных схем малого уровня интеграции
(черные корпуса), а также дискретные компоненты. Показанные на
фото БИС состоят примерно из 5000 транзисторов, а сама плата
представляет собой часть «интеллектуального» электронного измери¬
тельного прибора

о
s
104
102
СБИС
БИС
СИС
ИС
-
1960	1965	1970	1975	1980	1985
Изменение степени интеграции микросхем. На графике непрерыв¬
ное повышение степени интеграции микросхем от первого этапа, от¬
носящегося к началу 60-х годов и характеризуемого разработкой ми¬
кросхем малого уровня интеграции (МИС), через второй этап про¬
изводства микросхем среднего (СИС) и большого уровня интеграции
(БИС) к третьему этапу, характеризующемуся в настоящее время на¬
чалом разработки микросхем сверхбольшого уровня интеграции
(СБИС), содержащих до 1 млн. компонент в одном кристалле. Для
этого роста степени интеграции, известного как закон Мура (по имени
доктора Г. Мура из корпорации Intel, который первый предсказал эту
зависимость), характерно удвоение сложности схем примерно каждые
два года благодаря, в частности, совершенствованию методов проек¬
тирования. Однако основной фактор роста обусловлен постоянно
уменьшающимися размерами приборов за счет повышения плотности
упаковки элементов на единицу площади кристалла
прелюдией к революции в электронике — созданию
монолитных интегральных схем, где дискретные компо¬
ненты электронной схемы представлены в интегральной
форме. Первые интегральные схемы были очень просты
и имели лишь несколько десятков компонентов в одном
кристалле. Соответствующий уровень интеграции, достиг¬
нутый к началу 60-х годов, часто называют уровнем
малой интеграции.
К середине 60-х годов стало возможным благодаря
совершенствованию технологии увеличить степень инте¬
грации до сотен компонентов на кристалл. Этот уро¬
вень интеграции называется средним (СИС). В 70-х
годах началась эра больших интегральных схем (БИС),
в которых на одном чипе расположено от несколь¬
16

ких тысяч до четверти миллиона компонентов. Логично
считать, что 80-е годы — это эра СБИС, т. е. сверх¬
больших интегральных схем.
Один из известных специалистов в микроэлектронной
промышленности Гордон Мур, ранее работавший в фир¬
ме Fairchild Semiconductors, основатель корпорации Intel,
предсказал в начале 60-х годов, что число компонентов
в одной интегральной схеме будет удваиваться каждый
год. Замечательно, что это предсказание исполнилось
и наблюдается уже в течение 20 лет, в настоящее
время оно известно как закон Мура. От единиц компо¬
нентов в начале 60-х годов до 100 000 транзисторов в
одном кристалле кремния сегодня — вот что достигнуто
в результате этого прогресса. Развитие технологии про¬
должается, и в ближайшем будущем следует ожидать
разработки микросхем, содержащих миллионы интег¬
ральных компонентов. Следует отметить, что, помимо
США, где были проведены начальные исследования
в области разработки транзисторов и технологии их про¬
изводства, больший вклад в это направление науки
и техники внесли в следующее десятилетие японские
инженеры.
Основной причиной широкого распространения интег¬
ральных схем в самых разнообразных приложениях
является их весьма малая стоимость. Дешевизна этих
сложных компонентов обусловлена их крупносерийным
производством, а сама микроэлектронная технология
служит ярким примером высокого уровня автоматизации
и эффективности. Исходные продукты для получения
микросхем — кремний, алюминий, вода и различные
газы — характеризуются малой стоимостью. Производст¬
во обработки кремниевых пластин совершенствовалось
в течение 20 лет, и в настоящее время соответствую¬
щая технология доступна для реализации во всех про¬
мышленно развитых странах. Современные методы обра¬
ботки на основе так называемой планарной технологии,
разработанной в 1959 г., представляют собой важный шаг
в развитии микроэлектроники. Они позволяют получать
монолитные кремниевые интегральные схемы с электри¬
ческими связями только на одной стороне прибора.
Ранее выпускавшиеся схемы требовали выполнения
электрических контактов с двух сторон полупроводника,
а потому их производство было весьма трудоемким.
Указанная технология позволяет также изолировать друг
2 Заказ 11730
17

от друга отдельные компоненты в чипе с помощью
«переходов» (соединений), что обеспечивает четкое
выделение каждого компонента в процессе структуриза¬
ции схемы, основанное на важных свойствах естествен¬
ной окиси кремния. Окись представляет собой стекло¬
подобный изолятор и называется диоксидом кремния или
кремнеземом.
Процесс производства интегральных схем весьма
сложен, если рассматривать его детально, но концепту¬
альная сущность его проста. Любой процесс приго¬
товления чистого кремния состоит из большого числа от¬
дельных операций по обработке исходного сырья. Крем¬
ний получается из специального песка, из расплава
которого удален кислород. При этом остается весьма
чистый кристалл кремния с очень малыми добавлениями,
Рафинирование кремния производится в специальных
печах, в результате которого получается так назы¬
ваемый твердотельный монокристаллический «слиток»
диаметром 50—150 мм и длиной до 2 м. Он разреза¬
ется на отдельные пластины, на каждой из которых могут
быть изготовлены сотни интегральных схем.
Каждый транзистор включает несколько переходов,
которые специально формируются в кремниевой основе
путем включения в нее в малых дозах специальных
добавок, называемых «примесью». Размеры и положение
таких переходов на поверхности пластины определяются
процессом фотопечати. В местах, где должны быть
сформированы переходы, в защитной маске из двуокиси
кремния делаются окна (отверстия). После обработки
пластины в высокотемпературной газовой среде через
окна формируются переходы. Методом фотолитографии
очень трудно на площади размером 5 мм2 разместить
несколько тысяч транзисторов.
Теперь в последних типах микропроцессоров, пред¬
ставляющих собой один из видов СБИС, линейные
размеры самых малых элементов схемы составляют
примерно 2 мкм. Что можно сравнить с этой вели¬
чиной? Толщина человеческого волоса почти в 50 раз
больше. Кто знаком с фотолитографией, тот знает, как
трудно решить проблему получения негативов высокой
точности. И еще труднее наладить серийное производство
для получения фотографий элементов размером менее
0,5 мкм. Высокие разрешающие способности, обеспечи¬
ваемые этим процессом, позволяют получать сотни ты¬
18

сяч транзисторов в одной интегральной схеме размером
5 м,м2, а таких схем на одной пластине кремния можно
разместить сотни. После окончания процесса изготовле¬
ния чипов пластина разрезается на отдельные микросхе¬
мы. За один цикл обрабатывается до сотни таких
пластин, т. е. одновременно получается примерно 20 000
интегральных схем (например, микропроцессоров).
Средняя по производственной мощности полупровод¬
никовая компания выпускает около 100 млн. сложных
микросхем в год. Такая высокая производительность
обусловлена тем, что электронная промышленность ха¬
рактеризуется массовым производством, которое позво¬
ляет одновременно обрабатывать большое количество
пластин кремния. Каждая такая пластина стоит от 500 до
1000 долларов, на ней расположено не менее 200 инте¬
гральных схем.
Время обработки пластин может достигать 30 дней.
Если принять во внимание, что различные наборы пластин
ориентированы на получение схем с различным функци¬
ональным назначением, то для одновременной обработ¬
ки их на производственной линии необходимо руковод¬
ствоваться жестким планированием операций со строгим
расписанием. В целом процесс получения интеграль¬
ных схем разбивается на 100 и более этапов, каждый
из которых одинаково выполняется на каждой пластине
в течение всего лишь одной рабочей смены. После
окончания процесса изготовления приборы по ряду своих
параметров подвергаются контролю с помощью специ¬
альных тестирующих средств. Процент выхода годных
схем является важным показателем финансовых дости¬
жений завода полупроводниковых материалов. Он зави¬
сит от типа схем и составляет примерно 99% для
довольно простых чипов, содержащих несколько тысяч
транзисторов на площади в несколько квадратных милли¬
метров, и менее 1% для сложных БИС. 100%-ный
выход практически недостижим, так как в каждой опе¬
рации и в их длинной последовательности имеются неболь¬
шие отклонения, что в результате приводит к сильному
разбросу параметров приборов. В качестве типичного
примера можно привести условия фотомаскирования
для формирования образцов в процессе изготовления
пластин. Маска постепенно ухудшается из-за наличия пы¬
ли в воздушной среде. Поэтому необходим строгий
контроль воздуха на температуру, влажность и загряз¬
2’
19

ненность, т. е. определяется количество взвешенных
частиц. Операторы автоматов в электронной промышлен¬
ности должны одеваться в специальную одежду и обувь
и напоминают своим внешним видом космонавтов.
Таким образом, чтобы получить малую стоимость
микросхемы, необходимо обеспечить высокое качество
обработки и высокую производительность технологи¬
ческого процесса. Благодаря крупносерийному произ¬
водству с 1971 по 1979 г. стоимость получения одного
транзистора на чипе упала примерно в 100 раз. В этом
состоит основная причина того, что дешевые микро¬
электронные кристаллы, являющиеся сердцем калькуля¬
торов и многих других потребительских товаров, стали
продаваться так широко во всем мире.
После тестирования пластину разделяют на отдельные
чипы с помощью исключительно точного алмазного рез¬
ца. Микросхемы, прошедшие контроль, устанавливают в
защитный корпус и тонкими проводниками из золота
присоединяют выводы. Через них подается электрическое
питание, обеспечивается связь с другими чипами. Про¬
цесс монтажа кристаллов в корпус сам по себе весьма
сложен. Некоторые интегральные схемы имеют до
150 выводов, хотя наиболее часто используются кор¬
пуса, имеющие от 6 до 40 выводов. В некоторых случаях
стоимость интегральной схемы составляет лишь малую
часть стоимости корпуса, который и определяет цен/
всей микросхемы с учетом того, что предельная стои¬
мость сборки составляет 20 долларов.
Когда число выводов велико, добиваются снижения
стоимости индивидуальной сборки размещением не¬
скольких микросхем в одном корпусе. Стоимость про¬
изводства чипа любой заданной площади в основном
определяется стоимостью трудовых затрат, уровнем ка¬
питаловложений в оборудование, стоимостью сырья и
амортизационными расходами.
Интеллектуальные возможности микроэлектроники
состоят в максимизации числа функций в одном кристалле
кремния. Таким образом, главная задача проектировщика
микросхемы заключается в разработке максимально
компактного прибора, где была бы минимизирована
стоимость каждой выполняемой функции. Поэтому раз¬
работчики БИСов и СБИСов, являющихся техническими
гигантами электронной промышленности, получают са¬
мое высокое вознаграждение за свой труд. Разработ-
20

Новые товары на основе микроэлектроники. Доступность сложных
микроэлектронных схем позволила разработать разнообразные новые
потребительские товары. Падение их стоимости началось с появлением
на рынке калькуляторов, которые быстро вытеснили традиционные
счетно-решающие устройства. Интегральные схемы позволили разрабо¬
тать недорогие, многофункциональные калькуляторы, доступные по це¬
не любому человеку, и в настоящее время калькуляторы широко
применяются в учреждениях, в школах и дома
ка электронных схем охватывает широкий спектр задач и
требует глубоких исследований. Специалист должен быть
хорошо знаком с системами, в состав которых входят
проектируемые схемы, и областью их применений, а так¬
же — с предельными возможностями технологии обра-
21

Системы автоматизированного проектирования интегральных схем.
Повышение сложности интегральных схем обусловило использование
компьютеров для их проектирования. Компьютер может при этом ис¬
пользоваться как «интеллектуальная» чертежная доска, позволяющая
производить формирование топологической структуры схемы с по¬
мощью соответствующего программного обеспечения, модифициро¬
вать и моделировать ее работу, прежде чем она будет запущена
в производство
ботки кремниевых кристаллов. Современная интеграль¬
ная схема содержит более 100 000 транзисторов, распо¬
ложенных в непосредственной близости друг к другу.
Это означает, что каждый транзистор потенциально мо¬
жет взаимодействовать со своими ближайшими сосе¬
дями.
Любой проектировщик знает и обязательно соблюдает
законы проектирования, которые определяют минималь¬
ное пространственное разнесение между отдельными
компонентами. Поэтому он может выбрать требуемую
конфигурацию связей для заданного числа транзисто¬
ров, которые составляют принципиальную схему чипа в
целом. Такая конфигурация называется «топологией ми¬
кросхемы». В силу исключительной сложности проблемы
22

Микропроцессорный чип. Микропроцессор выполняет основные
функции компьютера. Представленная на фото интегральная схема
занимает по площади примерно 5 мм2 и представляет собой
8-разрядный микропроцессор с 12-разрядными командами, ПЗУ ем¬
костью 512-12 бит и 32 8-разрядными регистрами. Эта схема демон¬
стрирует достижения микроэлектронной технологии, позволяющей ре¬
ализовать весьма сложные схемы в одном кристалле, который может
с помощью соответствующего программирования выполнять самые раз¬
нообразные функции в различных устройствах
проектирования разработчик там, где это возможно, при¬
бегает к помощи компьютера и для ускорения работы
сотрудничает с другими разработчиками. Затраты на про¬
ектирование БИС микропроцессора обычно составляют
10 человеко-лет.
23

Таким образом, важной составляющей стоимости ин¬
тегральной схемы является стоимость ее проектирова¬
ния. Временные затраты на разработку лежат в пределах
от 6 месяцев до 2 лет в зависимости от сложности.
Для эффективной работы конструктор должен иметь
в своем распоряжении высокопроизводительный компь¬
ютер, который помогает ему изучать ожидаемые характе¬
ристики микросхемы и составлять структурную схему чи¬
па. В настоящее время группа конструкторов обычно
работает с системой автоматизированного проектирова¬
ния (стоимость ее около 1 млн. долларов). Предпола¬
гается, что в ближайшее время, когда наступит эра СБИС,
эта цифра возрастет примерно в 10 раз.
Полная стоимость проектирования микросхемы может
быть существенно уменьшена, если конструкторы различ¬
ных систем, где применяются микросхемы, будут ориен¬
тироваться на стандартные чипы. В этом случае начальные
большие расходы будут амортизированы массовым про¬
изводством приборов, число которых составит несколько
миллионов. Если потребитель не может приобрести та¬
кие микросхемы, тогда по его заказу проектируются
специальные заказные кристаллы. В этом случае повыша¬
ется стоимость каждой функции по сравнению с универ¬
сальными интегральными схемами микропроцессорного
набора, но при этом заказные кристаллы могут обладать
лучшими характеристиками для решения конкретных за¬
дач (например, они позволяют уменьшить размеры за
счет использования одного корпуса вместо нескольких
корпусов в случае применения стандартных микросхем).
Проектировщик постоянно исходит из того, что необхо¬
димо оптимизировать минимальную стоимость чипа,
встраиваемого в систему, а не минимальную стоимость
каждой функции, реализуемой микросхемой. Эта пери¬
ориентация стала особенно актуальна в последние не¬
сколько лет, и она означала, что роль проектиров¬
щика в этих условиях существенно возросла.
Микроэлектроника глубоко проникла во все совре¬
менные электронные системы, предназначенные для раз¬
нообразных приложений, что позволило снизить стои¬
мость их производства. Огромные возможности микро¬
электронного чипа обеспечили ему применение даже в
тех областях, например в механике и химии, где ранее
использовались в основном электромеханические средст¬
ва управления. В настоящее время интегральные схемы
24

составляют примерно половину всех электронных ком¬
понентов, причем некоторые системы базируются исклю¬
чительно на микроэлектронике. Новая технология исполь¬
зуется повсеместно, но главными областями ее прило¬
жений остаются компьютеры, калькуляторы, системы
управления технологическими процессами, электроиз¬
мерительные приборы, медицинское оборудование,
авиационные и космические системы, связь и бытовые
электронные приборы. Этот список, естественно, не
полон.
Мы являемся свидетелями больших изменений в на¬
шем образе жизни, которые вызваны появлением крем¬
ниевого кристалла. На эту тему издано уже не менее
дюжины книг, в названии которых имеется словосочета¬
ние «научно-техническая революция». Для многих это оз¬
начает, что микроэлектроника заменит их при выполнении
рутинных операций, которые еще выполняет человек, и
с помощью роботов полностью исключит тяжелые
работы. Однако здесь уместен вопрос: «А кто будет
управлять такими роботами и производственными лини¬
ями?» Другой вопрос связан с искусственным интеллек¬
том, который олицетворяется с микрокристаллом, хотя
его способности в настоящее время не сравнимы со спо¬
собностями человеческого мозга. Предполагается, одна¬
ко, что к концу нашего столетия вычислительная мощ¬
ность чипа превысит аналогичные возможности человека,
но дискуссии относительно того, будет ли искусствен¬
ный интеллект настоящим, вероятно, останутся.
Несомненно, что наиболее важным достижением ми¬
кроэлектронной технологии за последние несколько лет
является создание микропроцессора, который представ¬
ляет собой маленький компьютер с вычислительной логи¬
кой и цифровой памятью, выполненной на одном
кристалле БИС. Микропроцессор оказал существенное
влияние на разработку тех систем, где «электрон¬
ный мозг» требуется для управления их функциями. Важ¬
но здесь то, что стоимость таких микропроцессоров
относительно мала, и предполагается, что она упадет
в ближайшем будущем до 10 долларов.
Развитие методов и средств проектирования
микросхем и технологии их производства все еще про¬
должается такими быстрыми темпами, что невозможно
предсказать, к каким последствиям они приведут.

Microelectronic	Производство
Circuit	микроэлектронных
Fabrication	схем
Дж. М. РОБЕРТСОН
Когда рост производства в большинстве областей
экономики едва достигал нескольких единиц про¬
центов, объем выпуска изделий в электронной про¬
мышленности во всех развитых странах повышался еже¬
годно на 15—25%. А некоторые компании, специали¬
зирующиеся в узких областях электронной технологии,
достигали и более значительных показателей экономи¬
ческого роста. Вместе с увеличением объема продажи
микроэлектронных приборов ежегодно увеличивается
(примерно на 100%) и их функциональная сложность.
Резкое падение стоимости основных элементов элект¬
ронных систем ведет к расширению рынков сбыта из¬
делий на основе микроэлектроники.
Если оглянуться назад и попытаться проанализировать
факторы, которые привели к бурному росту этой тех¬
нологии и ее повсеместному использованию, то можно
сделать вывод, что все это не результат какого-либо
одного изобретения, а скорее плоды достижений раз¬
ных наук и технологий, которые совместно породили ми¬
кроэлектронную технологию. За 20 лет существования
интегральных микросхем (ИМС) они постоянно находи¬
лись на передовых позициях развития научно-техни¬
ческого прогресса. Это, в свою очередь, расширило
возможность по проектированию ИМС и их применениям,
В настоящее время новые стимулы позволяют непрерыв¬
но совершенствовать микроэлектронику, что придает
этой области характер постоянного прогресса.
Современная электроника оказывает значительное
влияние на нашу повседневную жизнь. Но хотя диапазоны
ее приложений кажутся необозримыми, имеется очень
J. М. ROBERTSON. Microelectronic Circuit Fabrication.
26

мало радикально новых концепций в этой технологии.
Сердцем «кремниевой революции» служит процесс
производства микроэлектронных чипов, который уже до¬
казал свою способность к совершенствованию. В резуль¬
тате мы имеем продукт инженерного труда, который
не имеет аналогов и чья эволюция за последние 20 лет
привела к повышению на 5 порядков плотности упаков¬
ки транзисторов в одном кристалле и уменьшению на
6 порядков площади, занимаемой одним транзисто¬
ром.
Процесс производства ИМС имеет много разновид¬
ностей, но его главными характеристиками явля¬
ются высокий уровень капиталовложений и массовый
выпуск продукции, что весьма привлекательно для про¬
мышленного применения. Темп процесса развития здесь
так высок, что только самые эффективные области про¬
изводства способны сравняться с микроэлектроникой по
уровню капиталовложений для программ своего раз¬
вития.
Сырьем для изготовления почти всех интегральных
схем служит кремний. В процессе рафинирования крем¬
ния удается получить весьма чистый исходный материал, а
электрически он ведет себя как полупроводник. Это оз¬
начает, что по отношению к изоляторам и металлам
его проводимость может изменяться или электрическим
путем, или химическим — т. е. добавлением при¬
месей, Последнее свойство используется для получения
транзисторных структур на поверхности кремния, состоя¬
ние которых может изменяться под воздействием элект¬
рических сигналов на противоположное, что дает воз¬
можность формировать двоичные сигналы, составляющие
основу всех цифровых компьютеров.
Процесс производства начинается с расплавления
кремния (температура около 1400 °C), который затем по¬
степенно охлаждается для получения идеального кристал¬
ла. Группа пластин обрабатывается от 3 до 4 недель и
подвергается примерно 400 операциям. Основной цикл
обработки несколько раз повторяется в процессе про¬
изводства каждой ИМС, что несколько упрощает об¬
работку.
Со времени появления первых интегральных схем
(около 30 лет назад) в основном производственном
цикле значительных изменений не произошло. Транзис-
27

Кремниевый слиток и пластина. Монолит, представляющий собой
кристалл чистого кремния, получается из расплавленного кремния в
форме цилиндра диаметром примерно 130 мм и длиной от 1 до 3 м.
Затем он нарезается на отдельные пластины толщиной 0,5 мм. Сли¬
ток характеризуется однородной структурой вдоль своей длины, а его
кристаллографические оси расположены так, что все пластины могут
быть идентично ориентированы в процессе обработки.
торные структуры формируются путем многих итераций
нанесения слоя вещества, фотолитографии и травления,
и, несмотря на то что со временем такие структуры ста¬
новятся все более сложными и каждая пластина
проходит от 8 до 10 операций по фотолитографии,
основные операции остаются неизменными. В производ¬
ственный цикл введено лишь немного радикально но¬
вых этапов, таких, как ионная имплантация (т. е. бом¬
бардировка ионами кристаллического кремния) и напы¬
ление пленок химическим путем, но основное влияние
на прогресс в этой области оказали два фактора: умень¬
шение размеров транзисторов и методы повышения сте¬
пени однородности материала, позволяющие увеличить
производство ИМС. Быстрое развитие микроэлектроники
стимулировалось успехами многих научных дисциплин,
включая оптику, химию, физику твердого тела, точную
28

Последовательность операций при производстве интегральных
схем. Основной процесс производства интегральных схем представляет
собой последовательность повторяющихся операций по обработке
кремниевой пластины. Они включают «наложение» для формирова¬
ния слоя требуемых материалов на поверхность пластины, фотолитогра¬
фию для получения заданного расположения и конфигурации элемен¬
тов в микросхеме и, наконец, травление для удаления всех
нежелательных материалов. После окончания обработки отдельные
схемы проверяются и монтируются в корпус
механику и металлургию, а также саму электрони¬
ку, возникшую на стыке многих наук.
Перед тем как подробно описывать процесс произ¬
водства ИМС, целесообразно рассмотреть некоторые ба¬
зовые физико-химические методы создания микроэлект¬
ронных структур, что сделает более понятным их вза¬
имодействие. Типовая сложная интегральная схема имеет
восемь отдельных слоев, каждый из которых идеально
29

Фотографическая маска. Она используется для определения участ¬
ков на поверхности пластины, где предполагается разместить эле¬
менты в микросхеме. Для каждого цикла в процессе обработки
требуется своя маска. Обычно она представляет собой матрицу иден¬
тичных схемных структур на фотопластинке диаметром 70—1 30 мм. Воз¬
можно, что маска будет использована всего один или два раза,
прежде чем она придет в негодность
согласован с остальными. В обычном производственном
процессе такое согласование выполняется с точностью
до 1 мкм. Для достижения такой точности используется
фотолитографический процесс, аналогичный в принципе
фотографии, но требования, предъявляемые здесь к лин¬
зам и эмульсиям, примерно на порядок выше.
Самый простой способ разработки маски — это со¬
здание рисунка полной микросхемы с помощью высоко¬
разрешающих оптических средств или электронных
лучей. Такой подход отличается не только высокой гиб¬
костью и точностью, но и высокой стоимостью. Поэ¬
тому часто используется другой подход на основе
специальной установки для формирования изображений.
Изображение при этом в 10 раз больше рисунка микро¬
схемы. Эта установка управляет прямоугольным окном,
через которое свет проецируется на плату, покрытую фо-
30

точувствительным слоем. Формирование маски требуе¬
мой геометрии осуществляется путем последовательных
изменений формы окна. После окончания этой процеду¬
ры получается плата размером 5 см2, если площадь
кристалла должна быть 5 мм2. На втором этапе
производится репродукция фотошаблона для получения
рабочей платы в масштабе 1:1. Для размножения ри¬
сунка будущей микросхемы изображение рабочей платы
мультиплицируют. Окончательно получается рабочий фо¬
тошаблон площадью примерно 10 см , который представ¬
ляет собой регулярную матрицу идентичных изображе¬
ний чипов.
Кремний характеризуется одной важной особен¬
ностью, которая отличает его от других полупроводников
и которая состоит в относительной простоте наложения
на поверхность пластины изоляционного слоя — диоксида
кремния. Последний получают термическим окислением
при температуре 1000 °C или выше. Окисление предназ¬
начено для создания на поверхности кремния защитной
структуры. Слой оксида наращивается, для этого пластину
помещают в поток кислорода или водяного пара при
температуре выше 900 °C. Толщина слоя и его ха¬
рактеристики зависят от условий процесса окисления и
его продолжительности, которая изменяется от 20 мин до
15 ч. В последнем случае толщина слоя оксида состав¬
ляет 1 мкм.
Если кремниевая пластина не подвергается экспони¬
рованию, то слой оксида может быть наложен методом
газового анодирования. Такая операция напыления часто
используется, так как она не зависит от химического
состава слоя на поверхности пластины. Ее недостаток
состоит в том, что толщина пленки может изме¬
няться вдоль пластины, что чаще всего приводит к браку.
Для устранения этого операцию начинают при низком
давлении. Вакуумное напыление используется для фор¬
мирования слоя поликристаллического кремния и нитри¬
да кремния, когда первый применяется как проводник,
что допускает более высокую температуру последующей
обработки, а второй используется как изолятор, который
не поддается травлению (и наоборот).
Фотолитография представляет собой основу всего
процесса производства ИМС, так как она служит средст¬
вом преобразования требуемого изображения на фото¬
шаблоне в соответствующие структуры на кремниевой
31

Подготовка набора масок. В одном цикле обработки пластины
требуется от 8 до 10 фотошаблонов, а потому каждая следующая мас¬
ка должна быть тщательно согласована с предыдущими, так как
малейшая неточность может привести к браку. При использовании
телевизионной камеры и монитора обеспечивается точность выше 1 мкм
пластине. Для этого пластина покрывается тонким слоем
жидкого фоторезиста, представляющего собой светочув¬
ствительную эмульсию. В вакууме одна малая капля
этого состава растекается по пластине и образует очень
равномерный слой толщиной около 1 мкм. Затем слой
резиста высушивается, и после этого он готов для
экспозиции.
На практике широко используются два типа фоторе¬
зиста. Позитивный фоторезист разрушается под действи¬
ем ультрафиолетового света и при проявлении удаляется
с освещенных участков. Следовательно, темные области
32

на фотошаблоне воспроизводятся как защищенные
участки на пластине. Негативный фоторезист при осве¬
щении ультрафиолетовым светом полимеризуется, и со¬
ответствующие участки тем самым защищаются, а неосве¬
щенные участки удаляются при проявлении. Позитивный
резист более чувствителен к условиям его обработки,
но позволяет получить более высокое разрешение, что
повышает производительность процесса производства
ИМС.
Экспонирование пластины, покрытой фоторезистом,
ультрафиолетовым светом от мощного источника, осу¬
ществляется через маску контактным или проекционным
методом. В контактном методе маска просто мягко
накладывается на пластину, а в проекционном методе для
экспонирования требуется дорогое оборудование, но в
этом случае менее вероятны механические поврежде¬
ния маски. В любом случае возникает серьезная проб¬
лема при последующих этапах маскирования, когда бу¬
дущая ИМС уже «прорисовывается» на пластине. Тре¬
бования к механической и оптической частям обору¬
дования весьма высоки, так как необходимо обеспе¬
чить точность экспозиции не хуже 1 мкм. Небольшие
искажения любого слоя затрагивают сразу все чипы, что
ведет к отбраковке целой пластины.
При выполнении требований по точности маскирова¬
ния оставшийся слой фоторезиста служит в качестве
маски для защиты некоторых участков поверхности плас¬
тины, а другие ее области, в поверхностном слое ко¬
торых содержится кремний, оксид, нитрид или металлы,
подвергаются травлению. Фоторезист может быть удален
после окончания процесса формирования активных
элементов. Так как фоторезист представляет собой орга¬
нический компаунд, он не может выдержать высокие
температуры, используемые при наложении нового слоя,
а значит, не может входить в состав активных элементов.
Во время операции фотолитографии пластина весьма
чувствительна к пыли, находящейся в воздухе. Размеры
пылинки велики по сравнению с размерами активных
элементов на микросхеме, а поэтому пылинка, попавшая
в слой фоторезиста, может вызвать дефекты в кристалле.
Для выполнения всех литографических операций воздух,
как правило, фильтруется. Его температура и влажность
контролируются, а освещение производится безопасны¬
ми лампами желтого цвета.
3 Заказ 11730
33

Травление пластины. Химическое травление полупроводников ис¬
пользуется на различных этапах процесса производства микросхемы для
удаления с поверхности нежелательных материалов. Для этого приме¬
няются сильные кислоты, после чего пластина промывается в чистой
деионизированной воде для удаления следов травления и высушива¬
ется перед следующей операцией наложения нового слоя
Поверхность кремниевой пластины, покрытая защит¬
ным слоем оксида, аккумулирует в небольшом коли¬
честве отрицательный заряд, который называется поверх¬
ностным слоем n-типа. Транзисторы, обычно входящие в
состав микросхемы, работают на основе управления
потока отрицательно заряженных частиц (электронов)
между электродами. В кристалле транзисторы должны
быть, естественно, изолированы друг от друга, но меж¬
ду ними могут протекать паразитные токи через поверх¬
ностный слой p-типа. Чтобы избавиться от этого, через
слой оксида имплантируют с некоторым избытком
положительно заряженные ионы, которые полностью
нейтрализуют отрицательные заряды в естественном слое
п-типа. В результате получается поверхность p-типа, кото¬
рая изолирует соседние активные приборы друг от друга.
Установка для имплантации ионов представляет собой
ионный ускоритель. Он содержит источник ионов в виде
длинного, экстрагирующего ионы зонда и камеры на его
конце. Ионный пучок фокусируется магнитным полем, и
через магнитный сепаратор проходят ионы требуемой
энергии (массы). На заключительной стадии ускорения
ионы приобретают высокую энергию (до 200 кВ), доста¬
точную для внедрения в кремниевую пластину на глубину
34

Ионный имплантатор. Установка ионной имплантации обеспечивает
введение точно дозированного количества атомов примесей или ионов
на поверхность полупроводника. Энергия ионов определяет глубину их
проникновения, а сила тока ионного пучка — общий имплантируемый
заряд. Такая техника позволяет внести точные и управляемые изменения
в структуре поверхностного слоя, которые необходимы для получения
сложных и малых по размеру транзисторов.
примерно 0,5 мкм. Легирование поверхности проис¬
ходит посредством широкого луча и маскирования или
сканированием острофокусированного луча. Ионы про¬
никают и в тонкий слой оксида, но любая часть кристал¬
ла может маскироваться слоем фоторезиста толщиной
1 мкм.
Поскольку ионная имплантация протекает при относи¬
тельно низкой температуре, то распределением концент¬
рации примесей и их общей дозировкой можно раз¬
дельно управлять, что является весьма важным свойством
любого процесса производства. Следует отметить, что
установки ионного легирования сложны в эксплуатации
и дороги. Это еще раз подчеркивает, что одна из
основных проблем всех передовых методов производства
интегральных схем состоит, помимо решения научно¬
з
35

технических задач, в организации технологической линии
и ее управлении.
Ионную имплантацию можно также использовать для
формирования свойств выбранных активных элементов в
кристалле. В интегральных схемах применяются два типа
транзисторов. В первом типе в нормальном состоянии
между двумя главными электродами (называемыми исто¬
ком и стоком) нет тока, пока отсутствует управляющее
напряжение на электроде, называемом затвором. Такие
транзисторы называются приборами, работающими в
режиме обогащения. Второй тип транзисторов в нор¬
мальном состоянии проводит ток и может запираться при
подаче управляющего напряжения. Они называются при¬
борами, работающими в режиме обеднения, и исполь¬
зуются как управляемый резистор. Имплантация соответ¬
ствующей дозы ионов между истоком и стоком опреде¬
ляет тип транзистора и требуемый порог управляю¬
щего напряжения. Поэтому она представляет собой
весьма важную операцию в производстве микросхемы,
поскольку влияет на рабочие параметры прибора, рассчи¬
тываемые на этапе проектирования ИМС. Отсюда сле¬
дует, что к установке ионной имплантации предъявля¬
ются жесткие требования по воспроизводимости процес¬
са и его однородности.
После формирования всех транзисторных структур на
поверхности пластины остается сделать последнюю опе¬
рацию по соединению их в соответствии с заданной
конфигурацией схемы. Для этого применяется стан¬
дартный цикл «наложение фоторезистивного слоя —
литография — травление». Вначале в вакууме расплавля¬
ется алюминий, а затем при температуре около 800 °C он
превращается в пар. После этого в специальной камере
происходит напыление на пластину слоя металла толщи¬
ной 1 мкм. Таким образом производится металлизация
всей пластины с сохранением рельефа ее поверхности.
Слой металла служит также в качестве контактных
площадок по всему периметру чипа. После окончания
процесса производства каждый чип автоматически тести¬
руется специальной системой, которая отбраковывает не¬
годные схемы, а затем пластина нарезается на от¬
дельные кристаллы. После этого производится сборка
ИМС.
Для цифровых ИМС важно состояние транзистора
(«включен» или «выключен»), а его размеры и значение
36

Обработанная пластина. Она представляет собой матрицу идентич¬
ных схем, которые подвергаются тестированию перед разрезанием
пластины на отдельные кристаллы с помощью тонкого алмазного
резца
протекающего тока несущественны с точки зрения выпол¬
няемых функций. Значит, возможно уменьшить физиче¬
ские размеры каждого транзистора в ИМС с целью
достижения более высокой плотности упаковки элемен¬
тов в чипе. В связи с этим представляет интерес
экстраполяция линии закона Мура. Самая прогрессивная
современная технология обеспечивает получение эле¬
ментов размером 3 мкм. Если полностью мобилизовать
все возможности, то к концу этого десятилетия можно
уменьшить размеры элементов до 0,5 мкм. А что
дальше? При этих размерах оксидный слой очень тонок
и уже не может служить в качестве изолятора. Это при¬
водит к изменению токов заряженных частиц в кремнии.
37

Последовательность формирования МДП-ИМС. Основные техно¬
логические операции включают создание (имплантацию диэлектриче¬
ского слоя на поверхности кремниевой пластины), получение заданного
расположения и конфигурации элементов методом фотолитографии,
травление для удаления всех нежелательных материалов. Для нагляд¬
ности рассмотрим только пять операций процесса фотолитографии
для формирования МДП-ИМС с каналами n-типа. Полный процесс вклю¬
чает еще три или пять слоев маскирования
А
Оксид

Оксид
/;- кремний
1.	Начальная очистка. Удаление органических материалов и оксиди¬
рование поверхнсти с помощью кислоты и перекиси водорода.
2.	Начальное оксидирование. Получение диэлектрического слоя
двуокиси кремния толщиной 0,05 мкм.
3.	Создание слоя нитрида кремния. Наложение тонкого слоя
(0,05 мкм) диэлектрика с помощью специального химического про¬
цесса.
4.	Нанесение защитной маски. Наращивание слоя двуокиси крем¬
ния путем термического окисления кремния на поверхности нитрида
кремния.
1
Б
I
Ультрафиолетовое излучение
I
Фотошаблон
(маска)
5.	Фотолитография. Получение всех требуемых областей, где будут
сформированы активные элементы (например, транзисторы).
38

в
1
в+
▼
1
Фоторезист
Оксид
Нитрид
У%У/У
УУуУУУУУУууУуу^
УУууУ/У/УУ-
Оксид
+ -Г-Ы- + + + + +
+ + ++ + 4- + -I--I-
6.	Имплантация бора. Диффузия ионов бора внутрь кремниевой
пластины. Энергия ионов бора такова, что они проникают через
трехслойный пирог двуокиси — нитрида — двуокиси кремния, но не мо¬
гут проникнуть в области активных элементов, которые защищены
слоем фоторезиста. Бор создает сеть положительных зарядов на
поверхности кремниевой пластины между теми участками, где должны
находиться транзисторы, с целью обеспечения электрической изоляции
между ними.
7.	Травление оксида. Удаление тонкого слоя двуокиси кремния,
не защищенного слоем фоторезиста.
Г
Оксид
■ Нитрид f УУуУУ/УУлУУ/
Оксид
Кремний
8.	Удаление фоторезиста. Эта операция осуществляется в резуль¬
тате химической обработки.
9.	Травление нитрида кремния. Удаление нитрида кремния со
всех незащищенных областей с помощью кислоты.
Д
10.	Полевой оксид. Создание окисла на поверхности пластины тер¬
мическим окислением. В результате создается слой оксида толщиной
в 1 мкм во всех местах, не защищенных нитридом. В нитридных
областях оксидное покрытие имеет толщину всего 0,01 мкм.
39

Е
11.	Травление оксида. Удаление тонкого поверхностного слоя окси¬
да, созданного в местах, защищенных нитридом. Эта операция практи¬
чески не оказывает влияния на толщину слоя полевого оксида.
12.	Травление нитрида. Удаление слоя нитрида.
13.	Травление оксида. Удаление тонкого слоя оксида, оставшего¬
ся в тех местах, где должны быть расположены активные компоненты.
14.	Оксидирование затвора. Наращивание очень тонкой оксидной
пленки толщиной примерно 0,08 мкм. Этот слой формирует осно¬
ву МДП-транзисторов, а потому очень важны его однородность,
чистота и стабильность.
15.	Имплантация бора. Диффузия ионов бора для задания рабо¬
чего напряжения (порогового напряжения) МДП-транзисторов.
Ж
16.	Удаление фоторезиста. Удаление с поверхности любых загряз¬
нений, вызванных наличием органических материалов в системе ион¬
ной имплантации.
17.	Отжиг. Разрушение кристаллической структуры кремния путем
ионной бомбардировки. Отжиг позволяет провести локальное восста¬
новление атомов на поверхности пластины и удалить имплантацион¬
ные повреждения.
40

18.	Нанесение поликристаллического кремния. Использование спе¬
циального химического процесса для создания слоя поликристалли¬
ческого кремния толщиной 0,35 мкм. Он будет использоваться в
качестве проводника и затвора для транзисторов.
19.	Окисление поликристаллического кремния. Получение тонкого
поверхностного слоя двуокиси кремния путем термического окисления.
20.	Фотолитография. Определение в поликристаллическом крем¬
нии окон для затворов или связей между активными компонентами.
21.	Травление оксида. Удаление оксида с поверхности, не защищен¬
ной фоторезистом.
22.	Удаление фоторезиста. Удаление фоторезиста из областей
образования поликристаллического кремния.
23.	Травление поликремния. Удаление поликристаллического
кремния из окон, не защищенных слоем оксида.
24.	Травление оксида. Удаление двуокиси кремния из верхнего
слоя поликристаллического кремния и из зон, расположенных между
поликремнием и полевым оксидом.
25.	Нанесение фосфора. Диффузия фосфора в слой поликремния
для повышения его проводимости. Эта операция позволяет формиро¬
вать области истока и стока МДП-транзистора.
26.	Удаление фосфорной глазури. Удаление фосфоросиликатного
стекла, полученного при выполнении операции 25. Этот материал
характеризуется малой температурой плавления и представляет собой
относительно хороший изолятор.
И
27.	Поликремниевый оксид. Наращивание плотного слоя оксида,
обеспечение хорошей основы для операции 28.
28.	Нанесение пиролитического оксида. Получение равномерного
слоя фосфоросиликатного стекла толщиной 0,75 мкм с помощью фос¬
форного газа.
41

29.	Сглаживание. Размягчение слоя стекла для сглаживания острых
краев поликремния.
К
30.	Фотолитография. Формирование окон, где должны быть рас¬
положены контакты в поликремнии или диффузных областях.
31.	Травление сглаженного оксида. Удаление его из областей, не
защищенных фоторезистом, для получения контактных окон.
32.	Удаление фоторезиста.
33.	Повторное сглаживание. Сглаживание краев сформированных
контактных отверстий.
Л
34.	Нанесение алюминиевого покрытия. Напыление слоя чистого
алюминия толщиной 1,5 мкм на поверхность пластины.
36.	Травление алюминия. Удаление алюминия из мест, не защищен¬
ных фоторезистом.
37.	Удаление фоторезиста.
38.	Шлакование. Отжиг в низкотемпературной среде для полу¬
чения хорошего контакта между слоями кремния и алюминия.
39.	Пиролитизация оксида. Нанесение слоя оксида толщиной 0,75
мкм на поверхность пластины для обеспечения механической и хи¬
мической защиты микросхемы.
40.	Фотолитография. Формирование окон в оксиде поверх бан¬
дажных. прокладок.
41.	Травление пиролитического оксида. Удаление пиролитического
оксида поверх бандажных прокладок для получения металлических
прокладок.
42.	Удаление фоторезиста
42

К тому же доминирующей проблемой становится отвод
тепла.
В настоящее время широко применяется в различных
областях техники сложный 8-разрядный микропроцессор,
включающий около 6000 вентилей (или основных эле¬
ментов логической схемы) в одном кристалле. Ожида¬
ется, что к 1990 г. в один кристалл будет входить при¬
мерно 600 тыс. вентилей, что почти в 100 раз увеличит
его вычислительную мощность или емкость памяти при
весьма низкой стоимости.
Сейчас трудно предсказать, насколько сложными бу¬
дут интегральные схемы по мере совершенствования про¬
цесса их производства и как они будут использо¬
ваться. Серьезно ограничит возможности производства
уровень современных систем проектирования, ориенти¬
рованный на сверхсложные схемы, если не будут раз¬
виты новые подходы к решению этой проблемы. Однако
хотя в настоящее время и видны фундаментальные
физические пределы микроэлектронной технологии,
представляется, что в обозримом будущем все более
или менее серьезные ограничения будут определяться
только нашим воображением.

Microelectronics	Микрозчектроника
and	и микропроцессор
the Microprocessor
Интерес общественности к микрокристаллу в послед¬
ние годы был стимулирован сильной рекламой, которую
получила технология БИС. Кристалл (чип) был представ¬
лен, с одной стороны, как лекарство от всех бо¬
лезней нашей экономики, а с другой — как потенци¬
альная причина жестокой безработицы. Исключительно
быстрый технический прогресс микроэлектронной тех¬
нологии привел к тому, что многие писатели сделали
из нее сенсацию, создавая впечатление, что кристалл
представляет собой революционное открытие. В действи¬
тельности же создание кристалла (или интегральной
схемы) прошло эволюционный путь в последние 30 лет,
и микропроцессор, каким мы его сегодня знаем,—
это просто один из примеров микроэлектронной техно¬
логии, веха в эволюционном процессе, начатом в 50-х
годах. В ближайшем будущем ожидается его широкое
распространение. Необходимо лишь поставить микропро¬
цессор на соответствующее место и определить его перс¬
пективы как в историческом плане, так и по отно¬
шению к другим достижениям микроэлектроники, а так¬
же определить области его применения в электронном
оборудовании и вычислительных машинах.
Первые микроэлектронные приборы — дискретные
транзисторы и диоды — пришли на смену электрон¬
ным лампам вскоре после окончания второй мировой
войны. Но уже скоро стало ясно, что методы, исполь¬
зуемые для производства этих дискретных приборов,
могут быть с тем же успехом использованы для произ¬
водства целых интегральных электронных схем, состоя-
R. G. KELLY. Microelectronics and the Microprocessor.
44

Микроэлектронные устройства. Микропроцессоры представляют
собой только один из видов разнообразных приборов, произ¬
водимых электронной промышленностью. Другие типы приборов иног¬
да больше подходят для реализации систем и кристаллов, ориентиро¬
ванных на задачи пользователя. В частности, они могут быть более
приемлемы в будущем, чем микропроцессоры. Очевидно, существует
различие между промышленностью микроэлектронных приборов, ко¬
торая обеспечивает массовое производство микропроцессоров и других
устройств, и промышленностью, обеспечивающей применение микро¬
процессоров и соответствующего программного обеспечения в раз¬
личных системах
щих из нескольких компонентов, заключенных в одном
полупроводниковом чипе. Интегральная схема в произ¬
водстве может быть значительно дешевле, чем
45

соответствующая обычная схема, в которой несколько
дискретных компонентов соединялись друг с другом.
Такие схемы потребляют меньше энергии и более
надежны, чем обычные схемы, а значит, они позволяют
реализовать производство все более сложных электрон¬
ных устройств по относительно низкой цене. Производи¬
тели радиоэлектронного оборудования быстро распозна¬
ли эти важные достоинства интегральных схем. Поэтому
постоянно возрастали требования по реализации все
более сложных функций в одном кристалле. Производи¬
тели полупроводниковых приборов, в свою очередь, бы¬
стро реагировали на эти запросы, так как открывался
широкий рынок для их продукции, оправдывающий ог¬
ромные капиталовложения в научные исследования, раз¬
витие производства и затраты на приобретение сложного
оборудования.
Первые схемы малой степени интеграции были полу¬
чены в начале 60-х годов. Они включали в себя простей¬
шие элементы, такие, как вентили и триггеры, объеди¬
няя в одном кристалле от 10 до 100 транзисторов.
Более сложные устройства, такие, как 128-разрядные
регистры сдвига и полные 4-разрядные сумматоры, поя¬
вились в конце 60-х годов. Эти приборы, содержащие
уже сотни транзисторов, представляют собой схемы сред¬
ней степени интеграции (СИС). Стоимость ИС постоянно
падала за этот период благодаря интенсивному произ¬
водству полупроводниковых приборов, которое позволя¬
ет производить их по крайне низким ценам и в широких
масштабах. В действительности же стоимость интеграль¬
ных схем представляет собой лишь малую часть стои¬
мости электронной аппаратуры, куда входят ИС. Другая
доминирующая составляющая цены изделия включает
стоимость сборки, печатных плат, разъемов, механиче¬
ского конструктива и испытаний. Это составляющая су¬
щественно зависит от числа ИС в оборудовании (так
называемого пакета), так что стоимость аппаратуры будет
значительно снижена, если несколько отдельных элект¬
ронных приборов будут собраны в одном более слож¬
ном кристалле.
В начале 70-х годов было осознано, что повышение
сложности ИС наряду с ощутимыми преимуществами
порождает и новые проблемы. Достижения в области
микроэлектронной технологии росли так быстро, что
стало возможным создавать большие интегральные схе-
46

Команда из памяти
Вывод
данных
данных
Центральный процессор (ЦП) ЭВМ. Арифметико-логическое уст¬
ройство обрабатывает данные, содержащиеся в одном или более
регистрах ЦП, а результат обработки помещает в другой регистр.
Так, например, содержимое регистра 1 может быть сложено с со¬
держимым регистра 3, а сумма записана в регистр 4. Конкрет¬
ная операция (сложение, вычитание, логический сдвиг и т. п.), а также
регистры — источники исходных данных и регистры — получатели ре¬
зультатов определяются командой, которая выбирается ЦП из памяти.
Эта команда декодируется ЦП, и цепи управления определяют
маршруты соответствующих данных для реализации требуемой функ¬
ции

мы, включающие до 2000 транзисторов в одном чипе, т. е.
по сложности на целый порядок выше, чем СИС. Раз¬
витие новых типов БИС требует высококвалифицирован¬
ного труда, измеряемого большим числом человеко-лет,
и применения дорогостоящих систем автоматизированно¬
го проектирования. Поэтому соответствующие затраты
могут быть оправданы лишь при массовом произ¬
водстве кристаллов БИС. К сожалению, ситуация здесь
существенно отличается от разработки СИС,. которые
можно рассматривать как компоненты или подсистемы
для разнообразных приложений, так как функциональная
сложность БИС ограничивает область их применений
узким кругом решаемых задач. Поэтому БИСы, ориен¬
тированные на специфические задачи, экономически це¬
лесообразны лишь в тех случаях, когда гарантируется
их широкомасштабное использование, например, в связ¬
ном оборудовании, в товарах широкого потребления,
телевизионных играх или электронных часах.
Для того чтобы технология БИС была рациональная и
для применения в малых масштабах, необходимо было
создать универсальный электронный прибор, который мог
бы быть полезным для различных ситуаций. Именно
таким прибором и стал микропроцессор, представляю¬
щий собой стандартную схему, которая легко может
быть приспособлена для решения специфических задач
путем соответствующего программирования методами,
широко применяемыми в вычислительной технике уже
многие годы.
Первые микропроцессоры предполагалось использо¬
вать в качестве замены жестких логических схем, а не в
качестве компьютера в строгом значении этого слова. Тем
не менее они имели много сходства с обычными
компьютерами и представляли собой простейший цент¬
ральный процессор (ЦП) ЭВМ, реализованный в
одной микросхеме. Как и обычный ЦП, микропроцессор
содержит набор регистров и арифметико-логический
блок, а также логику для декодирования инструкций (ко¬
манд) и схему управления. ЦП последовательно выби¬
рает инструкции из внешней памяти (при этом каждая
инструкция представляет собой 8- или 16-разрядное
двоичное слово), а затем они декодируются соответ¬
ствующими логическими элементами ЦП. После этого под
контролем схемы управления арифметико-логический
блок выполняет такие операции, как сложение данных
48

(операндов), записанных в регистрах, т. е. реализует
функции, определяемые конкретными командами в дан¬
ный момент времени. Именно на таких довольно
общих принципах основана работа обычных больших и
мини-ЭВМ, но первые микропроцессоры характеризова¬
лись весьма небольшой вычислительной мощностью.
Операции, которые ЦП выполняет над данными, опре¬
деляются командами, хранимыми в соответствующем
запоминающем устройстве. Конечная последователь¬
ность команд составляет программу. Важное отличие
между микропроцессорами, заменяющими логическую
схему, и обычным компьютером состоит в следующем.
Последний, как правило, предназначен для выполнения
самых разнообразных программ для различных пользо¬
вателей. При этом каждый пользователь должен на¬
писать свою собственную программу для своей частной
задачи и ввести ее в компьютер, который затем выпол¬
няет задачу и выдает результаты на печать. Данная про¬
грамма может быть заменена в памяти ЭВМ программой
другого пользователя. ЦП подключается для этого к
оперативному запоминающему устройству с помощью
магистрали или шины данных. Устройства ввода / вывода
(УВВ) также подключаются к этой шине для реализации
такой важной функции, как ввод программ и данных в ма¬
шину и вывод результатов с помощью периферийного
оборудования (например, широко известного дисплея).
Оперативная память применяется как для хранения
программы, так и для хранения данных, используемых
этой программой, так как обычно требуется обрабатывать
больший объем данных, чем помещенный в регистры
ЦП.
Микропроцессоры, ориентированные на замену жест¬
ких логических схем, использовались не так, как обычные
компьютеры. Подобный микропроцессор должен выпол¬
нять требуемую логическую функцию в отличие от СИС
или БИС, предназначенных для решения определен¬
ной задачи. Программа для него определялась конкрет¬
ными приложениями и формировалась как часть общего
проекта на требуемое оборудование, которое базиро¬
валось на универсальной БИС для специфических приме¬
нений. Пользователь не должен модифицировать
программу, а тем более изменять внутренние связи
между компонентами — это дело разработчика обору¬
дования. Поэтому для микропроцессорных систем ис-
4 Заказ 1 1730
49

Л" .„ЛАХ	<-• -	А
! §
i Хранение
Хренение а
1 -
программы
данных
цп	i
! £
’	ОЗУ
	 1
Шина данных	,	-	>
Шина данных
а
Устройство
Устройство £
ввода
вывода
I _ J
•" " *■■■" ’ ■' 	' ‘ '
i
Дисплей
,	А ... > :
Ввод	#
Вывод	Ц
Ввод
программы
результатов и
—:	данных	у
£
Основная структура микропроцессора. В универсальной ЭВМ прог¬
рамма, написанная пользователем, вводится в машину и помещается
в оперативную память вместе с исходными данными, которые могут
вводиться оператором. Затем программа выполняется, т. е. данные
обрабатываются, а результаты или помещаются в память, или подаются
на выход. Указанная программа может быть после этого заменена дру¬
гой программой, адресованной, возможно, другому пользователю.
Микропроцессоры иногда применяются для обработки данных указан¬
ным образом, но часто в приложениях программа не меняется.
пользуются два типа памяти —г оперативная, позволяю¬
щая записывать и считывать информацию, и постоянная,
позволяющая только считывать. Программа хранится
в постоянном ЗУ(ПЗУ), к которому может обращаться
ЦП для выборки команд из памяти и последующего их
выполнения. Запись ее в ПЗУ осуществляется тогда, когда
производимое оборудование не может изменять своих
функций в будущем. Микропроцессорные системы вклю¬
чают в свой состав и оперативное ЗУ(ОЗУ) для вре¬
менного хранения данных, но его емкость обычно много
меньше емкости ПЗУ. Особенность последнего относи¬
тельно хранения программ заключается в том, что оно
энергонезависимо, т. е. содержание ПЗУ не разруша¬
ется при отключении источника питания. Постоянное ЗУ
50

дешевле ОЗУ. Оперативная память часто называется
запоминающим устройством с произвольной выборкой
(ЗУПВ). Эта терминология может иногда ввести в заблуж¬
дение, и следует иметь в виду, что ПЗУ также может
считываться в произвольном порядке.
Сразу после появления микропроцессоров указанного
типа стало очевидно, что достижения в области микро¬
электронной технологии позволяют создать значительно
более сложный ЦП в одном кристалле, и таким об¬
разом, стало возможным производство действительно
универсальной и дешевой ЭВМ.
Тенденция разработки ЭВМ все более меньшего объе¬
ма, с меньшими затратами энергии и более дешевых
стала ведущей в производстве вычислительной техники.
Производство таких машин составляет постоянно увеличи¬
вающуюся часть от общего объема выпуска ЭВМ
наряду с производством больших машин, предназна¬
ченных в первую очередь для решения сложных задач
обработки данных. Микроэлектронная технология позво¬
ляет продолжить эту тенденцию и обеспечить персональ¬
ными компьютерами небольшие учреждения и даже от¬
дельных лиц.
Персональный компьютер стал реальностью в 1974 г.
в связи с появлением так называемых микропроцессо¬
ров второго поколения. Эти устройства характеризо¬
вались более сложной схемой и логической структурой
(или архитектурой), близкой к обычным компьютерам,
хотя и были менее мощны, чем существующие мини-
ЭВМ. Микропроцессоры второго поколения имели 8-раз-
рядную шину данных, что позволяло обрабатывать
данные в виде слов по 8 бит, в отличие от более
ранних 4-разрядных микропроцессоров.
Длина слова данных часто служит в качестве инди¬
катора вычислительной мощности процессора, так как
слова с большей разрядностью допускают большую
гибкость набора команд микропроцессора, особенно в
отношении разнообразия режимов адресации, которые
могут использоваться для доступа к данным в памя¬
ти. Большая длина слова обеспечивает также более
высокую точность представления числовой информации,
так как 8-битные слова позволяют представить 256
значений, а 4-битные — только 16.
8-разрядные слова особенно полезны при обработке
алфавитно-цифровой информации, так как именно такая
4*
51

разрядность используется в двоичных кодах для подоб¬
ных целей. Известно, что любые вычисления могут
проводиться с помощью самого примитивного ЦП за
счет, правда, более сложного программирования. Пре¬
имущество более сложной архитектуры состоит не только
в том, что она упрощает программирование, но также в
том, что она повышает скорость вычислений, так как
каждая команда становится логически более сложной,
а информационно — более емкой.
Типичный 8-разрядный микропроцессор второго по¬
коления был достаточно сложен для реализации функций
ЦП универсальной ЭВМ, и на его основе вскоре
появились недорогие микрокомпьютеры, персональные
ЭВМ и одноплатные машины. В этом ряду самые деше¬
вые системы состоят из собственно микропроцессора,
памяти малого объема, примитивной клавиатуры и про¬
стейшего терминала для ввода программ и данных и
отображения результатов. Наиболее совершенные систе¬
мы этого ряда представляют собой сложные персо¬
нальные ЭВМ, имеющие на порядок большую стоимость
и включающие большую по объему оперативную память,
полную алфавитно-цифровую клавиатуру, дисплей, внеш¬
нюю память на гибких дисках и довольно мощное
программное обеспечение. Выпуск этих систем в боль¬
ших масштабах стимулировал интерес к практическому
внедрению ЭВМ в небольшие учреждения и школы.
Основное ограничение этих микропроцессорных
систем состояло в сравнительно малой скорости вычисле¬
ний, и их коммерческий успех определялся низкой сто¬
имостью, что в то время было более важно, чем
высокое быстродействие. Эта малая скорость микропро¬
цессора существенно ограничивала доступ его на рынок ми¬
ни-компьютеров, и поэтому необходимо было найти аль¬
тернативный путь, где важна была низкая стоимость
технологии БИС. Таким образом, появился так назы¬
ваемый микропроцессор с разрядно-модульной органи¬
зацией, выполненный на биполярных схемах, характери¬
зуемых очень высоким быстродействием. Недостаток
этой технологии состоит в том, что невозможно было
реализовать довольно сложную схему на одном кри¬
сталле.
Основной принцип построения микропроцессора с
разрядно-модульной организацией базируется на гом,
что каждая секция ЦП может быть создана как одна
52

интегральная схема, а процессор в целом собирается
из отдельных идентичных ИС. Пользователю приборов с
такой организацией приходилось, таким образом,
конструировать ЦП собственной архитектуры, а потому
эти приборы представляли наибольший интерес для про¬
изводителей вычислительный техники, ориентированной
на специалистов. Почти все новые проекты мини-компью¬
теров в последние годы базировались, как правило, на
микропроцессорах с разрядно-модульной организацией.
Очевидно, что в середине 70-х годов для микро¬
процессоров существовали две различные области при¬
ложений. Первая — приборы для замены схем с жесткой
логикой и вторая — недорогие универсальные ЭВМ. По¬
следующая эволюция микропроцессоров шла двумя
параллельными путями, соответствующими различным
требованиям, предъявляемым указанными областями
приложений. Основные требования рынка универсальных
ЭВМ — дальнейшее улучшение архитектуры ЦП и увели¬
чение разрядности слов данных (до 32 бит). Универсаль¬
ные ЭВМ предназначены в основном для выполнения
длинных и сложных программ, которые могут быть эф¬
фективно написаны при использовании языков высокого
уровня, таких, как ПАСКАЛЬ или АЛГОЛ. Такие про¬
граммы должны предварительно компилироваться (или
транслироваться) в последовательность команд, которую
может непосредственно выполнять машина. Примитивная
архитектура микропроцессоров второго поколения дела¬
ла процесс компиляции весьма трудным, и оттрансли¬
рованные программы были, как правило, неэффективны
для выполнения. Особенности архитектуры, которые об¬
легчали программирование на языках высокого уровня,
были хорошо известны по прежнему опыту работы с
мини-компьютерами. Поэтому производители полупро¬
водниковых приборов смогли ввести требуемые измене¬
ния в архитектуру микропроцессоров третьего поко¬
ления, которые появились в конце 70-х годов. Была до¬
стигнута также и большая скорость вычислений за счет
главным образом более эффективной обработки данных
микропроцессором с более сложной архитектурой.
Быстрый рост сложности микропроцессорных чипов
первых трех поколений был впечатляющим с точки
зрения технологии. Но в развитии их архитектуры было
очень мало оригинальных решений и почти все микро¬
процессоры повторяли в этом отношении путь, пройден¬
ный при разработке мини-ЭВМ.
53

Последний прибор фирмы Intel IAPX432, появив¬
шийся в 1981 г., может считаться первенцем четвертого
поколения микропроцессоров. В нем наиболее полно
использованы возможности микроэлектронной техноло¬
гии для улучшения известных концепций проектирования
ЭВМ. Этот последний прибор был описан как микровари¬
ант большой машины, и он имеет многие особен¬
ности, которыми не обладали даже большие машины.
В частности, его архитектура была специально ориенти¬
рована на оптимизацию выполнения программ, написан¬
ных на языках высокого уровня, а базовый набор
команд этой машины тесно связан с предложениями
языка высокого уровня — АДА. Поэтому процесс компи¬
ляции таких программ в последовательность машинных
команд существенно упрощен. В новом приборе введены
также аппаратные решения, которые значительно помо¬
гают реализовать операционные системы и системы
управления памятью, характерные для больших и мини-
ЭВМ, и которые ранее традиционно выполнялись слож¬
ными программными средствами. Развитие подобных
систем существенно ускоряет современные тенденции
построения распределенных вычислительных систем,
представляющих собой привлекательную альтернативу
традиционным централизованным вычислительным систе¬
мам, где сосредоточены большие информационно-вычи¬
слительные ресурсы. Распределенная вычислительная
система состоит из ряда мини-ЭВМ, служащих для пре¬
доставления услуг по обработке данных индивидуальным
пользователям, которые объединены в вычислитель¬
ную сеть, обеспечивающую разделение некоторых ресур¬
сов (например, больших баз данных).
Проблема проектирования микропроцессоров третье¬
го и четвертого поколений заключается в том, чтобы полу¬
чить наиболее мощный ЦП в одном кристалле с учетом
ограничений, накладываемых современными возможнос¬
тями микроэлектронной технологии. Очевидно, что по¬
явление таких приборов окажет значительное влияние
на конструирование ЭВМ общего назначения и вычисли¬
тельных систем и сделает доступным для широкого
круга пользователей большую вычислительную мощность
при низкой ее стоимости. Во многих приложениях,
однако, не требуется исключительно сложной обработ¬
ки данных, которая может быть обеспечена микро-ЭВМ
54

ПЗУ: хранение
программы
ОЗУ: хранение ь
данных	*
Шина данных
1,.	,t
Шина данных
сигналы
Порт
ввода/вывода
Входные
Выходные
сигналы
i
Микропроцессор как программируемый логический контроллер.
Микропроцессоры часто используются в качестве альтернативы тради¬
ционным электронным логическим приборам для реализации опре¬
деленных логических функций (например, управления светофорами).
Микропроцессор требуется в этом случае для выполнения только
одной программы, которая разрабатывается конструктором соответст¬
вующего прибора и постоянно хранится в ПЗУ. Оперативная память
применяется лишь для временного хранения данных, используемых
программой. Устройства ввода/вывода (например, реле для переклю¬
чения световых сигналов светофора) также выполняют специальные
функции. При этом не требуется обеспечивать ввод и вывод данных в
обычном смысле
третьего и четвертого поколений. Так, часто микропро¬
цессор используется в качестве альтернативы приборам с
жесткой логикой для реализации простых алгоритмов
или решающих функций. Микропроцессор позволяет
проектировать электронные приборы, ориентированные
на задачи отдельного пользователя, с учетом экономи¬
чности микропроцессорной технологии. Так, стиральные
машины или системы управления светофорами представ¬
ляют собой характерные примеры, где микропроцессор
используется как программируемый контроллер, причем
соответствующая программа может быть весьма триви¬
альной и, естественно, при этом нет необходимости в
большой вычислительной мощности.
Включение микропроцессора в электронное оборудо¬
вание может обеспечить и другие преимущества, помимо
снижения стоимости. Его способность выполнять сложные
55

логические решения позволяет, например, конструктору
измерительных приборов автоматизировать многие фун¬
кции, которые ранее выполнялись человеком-операто¬
ром. Такие «интеллектуальные» приборы иногда называ¬
ют сотрудничающими с оператором, так как они подме¬
няют оператора в проведении сложных измерений. Это
представляет собой большую ценность, например, в со¬
здании автоматизированных контрольно-измерительных
приборов. Другое важное достоинство проектирования
электронного оборудования на базе микропроцессоров
состоит в том, что настройка прибора на другие режи¬
мы может быть легко достигнута путем изменений
в программе, а не новым конструированием традици¬
онной системы с жесткой логикой.
Микропроцессор, включенный в состав интеллектуаль¬
ного прибора или аналогичного оборудования, должен
иметь другие параметры и характеристики, чем микро¬
процессор, предназначенный для работы в качестве
ЦП ЭВМ общего назначения. При этом сравнитель¬
но небольшая вычислительная мощность может быть
вполне достаточна, и дополнительные возможности, та¬
кие, как управление памятью и операционные системы,
динамически распределяемое кодирование и процедуры
повторного ввода, найдут весьма ограниченное приме¬
нение в системах, где программа ориентирована на ре¬
шение одной задачи и универсальность не требуется.
Указанные возможности, характерные для микропроцес¬
соров третьего и четвертого поколений со сложной
архитектурой, были рассчитаны и для описываемого
оборудования, но они идеально не подходили для про¬
граммируемых контроллеров и измерительных прибо¬
ров. Низкая стоимость часто представляет собой самый
важный фактор для данных систем, и этому вполне
отвечают однокристальные микро-ЭВМ, развитие кото¬
рых — это вторая главная тенденция в эволюции микро¬
процессоров, наметившаяся в последние три-четыре года,
параллельно с разработкой сложных чипов ЦП третьего
и четвертого поколений.
Типовая однокристальная микро-ЭВМ включает в се¬
бя ЦП, сложность которого соответствует второму поко¬
лению микропроцессоров, память и секцию ввода / вы¬
вода, выполненные в одной интегральной схеме. Объем
кристалла занят в первую очередь памятью и элемен¬
тами, реализующими другие функции, а не предназначен
56

для создания только лишь мощного ЦП. Емкость
памяти обычно не велика, и, как правило, память
включает ПЗУ, способное хранить программу примерно
в 100 команд, и 100-байтное ОЗУ. Такие приборы
часто имеют достаточно большое число линий ввода / вы¬
вода и содержат некоторые дополнительные компоненты
(например, программируемые таймеры и аналого-цифро¬
вые преобразователи, которые, как правило, требуются
для выполнения функций управления и измерения). Не¬
которые типы таких приборов характеризуются еще мень¬
шей мощностью, предназначены они для использо¬
вания в устройствах с батарейным питанием.
Однокристальные микро-ЭВМ вызывают, вероятно,
меньший интерес, чем ЦП со сложной архитектурой,
но стоит сказать, что уровень их выпуска и продажи
более высокий.
Типичное устройство на основе микропроцессора
представляется пользователю в виде «черного ящика»,
который имеет некоторые специфические органы ручно¬
го управления и разъемы для подключения входных
сигналов и вывода выходных. Внутри такого «черного
ящика» содержится компьютер, дополненный некоторыми
логическими схемами и, возможно, какими-либо линей¬
ными цепями. Сам компьютер совершенно «не виден»
для оператора, и последний не может его запрограм¬
мировать и не нуждается в понимании процесса про¬
граммирования своей задачи для того, чтобы использо¬
вать устройство по его назначению. Управление устрой¬
ством осуществляется с помощью соответствующих
кнопок на передней панели, функциональное назначение
которых известно оператору и тесно связано с теми
задачами, для решения которых и сделано это оборудова¬
ние. Машинная программа, написанная конструктором
устройства, постоянно хранится в ПЗУ и ориентирована
для выполнения определенных операций совместно с
аппаратными средствами микро-ЭВМ. Программа за¬
пускается в работу после включения питания и нажатия
кнопки сброса.
Специальное устройство включает как обычные элект¬
ронные схемы, так и микромашину, причем число
таких схем зависит от конкретных применений. Напри¬
мер, часто требуется устройство для обработки циф¬
ровой информации или аналоговых сигналов, спектраль¬
ные свойства которых таковы, что они не допускают
57

г
Микро¬
процессор
(ЦП)
ПЗУ для
хранения
программы
Шина управления
и данных
| Ввод/|
j выводе
-I ,
1
I
Интерфейс
IEEE488
ЭВМ
Г
I Ввод/I
! вывод|
t
	‘"'“П
Высоко¬
скоростные
цифровые
схемы
t
АЦП
ОЗУ для
хранения
данных
ri
' Линейные
j цепи
| нормализации |
сигнала	Г
К органам |Г
управления
на передней |
панели g
и устройству!
отображения^
%
в
$
Входные^
й сигналы
Г01 i
₽ датчиков^
I
$
Устройство с управлением на основе микропроцессора. Такой
«интеллектуальный» прибор содержит в себе полную ЭВМ, включаю¬
щую ЦП, память, цепи ввода / вывода и шины данных, а также
программы, записанные в ПЗУ. Однако для пользователя такое устрой¬
ство представляет собой «черный ящик» с органами управления на
передней панели и входами, соответствующими конкретному при¬
менению. ЭВМ управляет работой устройства, дополненного линейными
и высокоскоростными схемами, реализующими предварительную обра¬
ботку входного сигнала. При этом такое устройство в целом может быть
компонентом большой измерительной системы, управляемой ЭВМ
непосредственную обработку на микро-ЭВМ. Очень важно
знать, что компьютер обеспечивает лишь последователь¬
ную обработку данных и при этом каждая логичес¬
кая операция производится арифметико-логическим уст¬
ройством. Более того, используемая в настоящее время
технология производства микропроцессорных чипов ори¬
ентирована на получение сложных схем с высоким
быстродействием. По этим причинам часто микромашина
не может проводить непосредственную обработку вход¬
ных данных описываемого устройства. В этом случае ее
дополняют линейными цепями, реализующими некото¬
рую предобработку аналоговых сигналов перед их после¬
58

дующим преобразованием в цифровую форму. Высо¬
коскоростные цифровые цепи могут быть использованы
для первоначальной обработки данных, которые затем
поступают в микромашину в сжатом виде. В общем,
измерительное устройство представляет собой интер¬
фейс между данными и человеком-оператором. При
этом данные могут поступать с высокой скоростью, а
обработка их человеком производится значительно
медленнее. Так, процессор может обрабатывать вход¬
ные сигналы, поступающие с частотой 100 МГц, но поль¬
зователь способен воспринимать информацию или
управлять машиной с помощью соответствующих органов
на передней панели со скоростью не более чем один раз
за несколько секунд. Поэтому обработка управляющей
информации пользователя и отображение данных
идеально подходят к микро-ЭВМ, и часто ее роль состоит
исключительно в управлении устройством, а реальная
обработка данных целиком возлагается на специальный
вычислитель. С точки зрения экономических затрат
при проектировании устройств с микропроцессорным
управлением, целесообразно минимизировать стоимость
дополнительных технических средств и сделать соот¬
ветствующий выбор между аппаратным и программным
обеспечением.
Наступление периода «интеллектуальных» устройств
приведет к значительному прогрессу в области измери¬
тельной техники. Например, обычно считалось, что элект¬
рический выходной сигнал первичного преобразователя,
такого, как манометр или датчик температуры, должен
быть линейно связан с измеряемой физической вели¬
чиной. Нелинейности приводили к погрешностям, кото¬
рые могли быть устранены ручной коррекцией с по¬
мощью калибровочной кривой, что приводило к большим
потерям времени и к ошибкам. В случае же приме¬
нения устройств на основе микропроцессоров легко
осуществляется автоматическая коррекция показаний не¬
линейных первичных преобразователей. При этом коор¬
динаты калибровочной кривой записываются в ПЗУ, и
когда выходной сигнал такого преобразователя считы¬
вается, то соответствующая ему величина корректи¬
руется и только потом уже точный результат выводится
на дисплей.
Автоматическая диагностика и калибровка представ¬
ляют собой важные новые характеристики интеллекту¬
59

альных устройств. Точный источник калибровки, напри¬
мер стабильный эталонный источник напряжения,
может быть встроен в устройство, и в любой момент
времени устройство может быть подключено к нему. При
управлении со стороны микропроцессорного контролле¬
ра такое подключение к измерительным цепям проис¬
ходит один раз за несколько часов работы устройства.
Значение эталонного напряжения постоянно хранится в
ПЗУ, и возможные ошибки в измерениях могут быть,
таким образом, выявлены. Поэтому при последователь¬
ном считывании входного сигнала погрешности, вызван¬
ные дрейфом измерительных цепей, могут быть скоррек¬
тированы. Если дрейф превосходит установленные пре¬
делы, то включается сигнал тревоги, который показы¬
вает, что устройство требует настройки. Эти особенности
интеллектуальных устройств позволяют повысить точ¬
ность измерений и одновременно снизить стоимость об¬
служивания и ремонта.
Эргономические характеристики таких устройств так¬
же улучшаются при наличии микрокомпьютерного управ¬
ления. Современные измерительные устройства часто
имеют лишь клавиатуру и дисплей вместо набора пере¬
ключателей и кнопок на передней панели, как это было
в прошлом. Работа со сложным прибором может быть
существенно упрощена благодаря диалоговому режиму
работы пользователя с ЭВМ через дисплей, в процессе
которого пользователь вводит требуемые параметры с
помощью клавиатуры. Эти параметры могут одновремен¬
но отображаться на экране дисплея, позволяя произ¬
водить проверку вводимых данных. Управление устройст¬
вом в грубом и точном режимах может быть исклю¬
чено, и соответствующие функции будет выполнять
микро-ЭВМ, сводя их к соответствующим арифметичес¬
ким операциям. При этом для удобства выбранные па¬
раметры могут непрерывно высвечиваться на экране.
Так, например, шкала напряжения и период развертки
осциллографа могут быть представлены в цифровом виде
вверху и внизу экрана дисплея. Клавиатура передней
панели представляет собой одну из многих возможностей
отображения компьютерной природы интеллектуального
прибора.
Другая особенность современных приборов — это
легкость, с которой их можно встраивать в большие
автоматические измерительные системы на основе ЭВМ.
60

При этом мини-машина средних размеров может управ¬
лять работой нескольких приборов в соответствии с
заложенной в нее программой. В число последних
обычно входят источники питания и генераторы сиг¬
налов, а также измерительные устройства (например,
вольтметры). Центральная ЭВМ посылает команды на
источник питания или генератор, задавая параметры фор¬
мируемого выходного сигнала (например, частоту и ам¬
плитуду генератора гармонических сигналов). После это¬
го ЭВМ запускает в работу измерительный прибор,
и таким образом управляет характеристиками системы
при воздействии заданных входных сигналов. Последние
можно затем изменять требуемым образом для полу¬
чения новых измерительных данных, что позволяет орга¬
низовать полный набор испытаний. Система такого типа
может быть существенно упрощена благодаря примене¬
нию стандартных процедур обмена данными в соот¬
ветствии с интерфейсом IEEE-408. Реализация такого ин¬
терфейса для каждого измерительного прибора значи¬
тельно упрощает построение компьютеризованных сис¬
тем любого назначения.
Очевидно, что микропроцессор в существенной мере
содействовал совершенствованию проектирования элект¬
ронных приборов и систем так же, как и в области
разработки вычислительных систем общего назначения.
Разработка оборудования на микропроцессорной основе
имеет, естественно, свои тонкости, и поэтому не уди¬
вительно, что многие дорогостоящие ошибки были сде¬
ланы его производителями при конструировании, ориен¬
тированном на применение микропроцессоров. Наиболее
существенные проблемы возникли из-за недооценки
стоимости разработки программного обеспечения (ПО) в
силу, вероятно, труднопостижимой и абстрактной природы
этой области человеческой деятельности, которая не
дает продукции в явной физической форме. Создание
программного обеспечения включает в себя гораздо
больше, чем просто написание кода. Законченная про¬
грамма должна быть тщательно проверена для обнаруже¬
ния неизбежных логических ошибок, которые затем сле¬
дует обязательно исправить. Документация на програм¬
мное обеспечение должна составляться таким образом,
чтобы была возможна его эффективная эксплуатация
и модификация программного продукта. Производитель¬
ность при разработке ПО может существенно возрасти
61

Большой объем продаж
Следующее поколение уже находит применение
Аппаратно- программная поддержка доступна
Имеются различные источники приборов
Увеличение объема продажи, уменьшение стои-
Реклама следующего поколения	мости
Моральное старение
Неиспользование
в новой продукции
I Большой объем выпуска
Появление первоначальных сведений
Изготовление малых серий
Замена
только
по требованию
-1	01	23456789
Годы
Жизненный цикл микропроцессора. Он начинается от перво¬
начального объявления до момента морального старения и длится
около 8—10 лет. Может пройти 3—4 года после первых сведений
о нем, прежде чем микропроцессор будет широко применяться в
составе оборудования, а в течение этого времени может рекламиро¬
ваться следующее поколение более совершенных процессоров. Такой
прибор не будет морально устаревшим до тех пор, пока его предшест¬
венники не достигнут «зрелых» стадий их собственного жизненного
цикла. (Представленная временная школа лишь приближенно отобра¬
жает типичные тенденции)
при использовании средств автоматизации программиро¬
вания.
Развитие систем на базе специализированных микро¬
процессоров обеспечивается применением таких средств,
как ассемблеры, компиляторы и симуляторы, которые по¬
зволяют создавать и испытывать программное обеспе¬
чение. В их состав включаются также средства, по¬
могающие обнаруживать специфические ошибки, возни¬
кающие при тесном взаимодействии программного и ап¬
паратного обеспечения, разработанного на основе новых
концепций. Подобные системы, однако, довольно до¬
роги (обычно их цена составляет около 4000 долларов),
а поэтому проектировщики, которые только приступают
к работе в этой области, часто удивляются большим зат¬
ратам, необходимым для создания аппаратно-програм¬
мной поддержки указанных микропроцессорных систем,
где стоимость каждого чипа оценивается от 10 до 20 дол¬
ларов.
62

Быстрое развитие микропроцессорной технологии
поставило перед пользователями новые проблемы. До¬
ступность новых, более совершенных типов микропро¬
цессоров побуждает конструктора оборудования уделять
много времени ознакомлению с функционированием но¬
вого прибора, прежде чем он сможет эффективно ис¬
пользовать его в своих разработках. При этом может быть
обнаружено, что новый тип процессора не обеспечи¬
вается поддержкой существующего развития системы,
несмотря на заявления об универсальной природе
этого оборудования. Более того, производитель обору¬
дования может не желать строить его на основе
нового прибора, так как он выпускается только одной
фирмой. Поэтому внедрение передовой микропроцес¬
сорной технологии происходит гораздо меньшими темпа¬
ми, чем прогресс в области самой технологии. Микро¬
процессоры первого и второго поколений характеризу¬
ются жизненным циклом длительностью 8—-10 лет, при¬
чем отмечается значительное запаздывание между
моментом появления нового прибора и моментом его
использования в электронной аппаратуре.
Доступность аппаратной и программной поддержки
нового прибора также весьма существенна для
пользователя оборудования. Характеристики нового про¬
цессора, одноплатные ЭВМ на его основе, ассемблеры,
компиляторы и прикладные программные средства,
обеспечивающие поддержку нового прибора, должны
удовлетворять требованиям по показателю «стоимость —
эффективность» для оборудования на базе микропроцес¬
соров.
Таким образом, наличие многих производителей
электронных приборов и доступность аппаратно-програм¬
мной поддержки позволяют широко внедрять новые
приборы в разрабатываемое оборудование. Серийный
выпуск последнего требует большого числа чипов, что
ведет к снижению их стоимости, если полупроводнико¬
вые фирмы окупили свои первоначальные затраты на раз¬
работку нового прибора. Более низкая цена обеспечи¬
вает его широкое использование, что приводит к зна¬
чительному увеличению объема продажи. Принимая во
внимание, что новые поколения микропроцессоров
появляются примерно через четыре года, следует ожи¬
дать первых объявлений о следующем поколении даже
несколько ранее, чем приборы предыдущего будут вы-
63

пускаться и продаваться в больших объемах. С чисто
технологической точки зрения, вероятно, будет спра¬
ведливым мнение, что микропроцессоры морально
устаревали ранее, чем они начинали использоваться.
Очевидно, что коммерческая жизнеспособность прибора
зависит от большего числа факторов, чем жизнеспособ¬
ность самих чипов. Это возможно в том случае,
когда данное поколение приборов достигает зрелости и
большого объема выпуска, а предшествующее ему
поколение вступит в завершающую фазу его жизненно¬
го цикла. Морально устаревшие приборы применяются
в новом оборудовании все реже, хотя их все еще
продолжают выпускать.
Следует заметить, что термины «микропроцессоры» и
«микроэлектроника» употребляются многими людьми,
администраторами и политиками без их различия и
часто используемое смешанное описание микроэлектро¬
ники / микропроцессоров говорит лишь об этом серьез¬
ном недопонимании. Микропроцессоры представляют со¬
бой только малую часть широкого спектра микроэлект¬
ронных приборов. Последние не следует рассматривать
как результат революционного открытия, это скорее
естественный шаг в эволюции микроэлектронной техно¬
логии, которая началась 30 лет назад или даже
раньше. Нельзя считать, что микропроцессоры — это
результат революции в развитии техники производства
ЭВМ. В действительности же примитивная архитектура
ранних микропроцессоров и применение связанного
с ними неразвитого программного обеспечения низкого
уровня привели к мнению, что микропроцессор отбро¬
сил науку об ЭВМ на 20 лет назад. Он предоставил воз¬
можность прорыва в область сложной обработки инфор¬
мации со значительно меньшей стоимостью.
Небольшие по размеру однокристальные микропро¬
цессоры, предназначенные для замены схем с жесткой
логикой, обеспечили снижение стоимости технологии.
Приборы третьего и четвертого поколений, характе¬
ризуемые сложной архитектурой, открыли новый рынок
для крайне дешевых, но достаточно сложных универ¬
сальных ЭВМ, хотя микропроцессоры с разрядно-мо¬
дульной организацией значительно понизили стоимость
обычных мини-ЭВМ с высоким быстродействием.
В настоящее время микропроцессор представляет
собой средство для решения задач проектирования ап-
64

паратуры по критерию «стоимость — эффективность», но
не следует забывать, что быстрое развитие характер¬
но и для других областей микроэлектроники. Улучше¬
нные методы автоматизированного проектирования ин¬
тегральных схем могут значительно снизить затраты на
разработку специальных чипов. Приборы типа програм¬
мируемых логических матриц также привлекают к себе
внимание. Более того, ожидается, что дальнейшие улуч¬
шения в технологии приведут в ближайшем будущем к
росту сложности кристаллов примерно на порядок. Это,
в свою очередь, приведет к дополнительным проблемам
эффективной эсплуатации приборов большой сложности,
и микропроцессор, каким мы его знаем сейчас, будет в
последующем замещаться альтернативными видами ори¬
ентированных на пользователя или программируемых
микроэлектронных приборов.
Достижения в области производства полупроводни¬
ков, позволяющие получать чипы большой сложности,
но малой стоимости, весьма впечатляют. Однако это
приводит к мысли, что технические устройства на базе
микропроцессоров включают в свой состав не только
микропроцессорный кристалл. Для работы ЭВМ необхо¬
димо периферийное оборудование, такое, как дисплеи и
принтеры, с которыми он должен сопрягаться. При опе¬
ративном режиме функционирования компьютера (на¬
пример, при управлении технологическим процессом)
требуется обычно интерфейс с аналоговыми устройст¬
вами (например, измерителями напряжения) и электро¬
механическими исполнительными приборами, такими,
как двигатели и соленоиды. Поэтому требуется боль¬
шое число электронных схем (аппаратное обеспечение)
дополнительно к самому микропроцессору и запоми¬
нающим устройствам. Помимо этих аппаратных средств,
оборудование на основе микропроцессоров нуждается в
программном обеспечении, отвечающем за работу ЭВМ в
требуемом режиме и в данной области применений. Один
и тот же микропроцессорный кристалл может исполь¬
зоваться в самых различных приложениях, причем его ПО
определяет характеристики конкретной системы. Поэто¬
му производство микропроцессоров имеет две различ¬
ные особенности. Первая — выпуск микропроцессорных
чипов, и эта задача обычно решается полупроводниковы¬
ми фирмами, вторая — проектирование микропроцессор¬
ных систем и оборудования, которая может считать-
5 Заказ 11730
65

ся как инженерное приложение микропроцессоров.
Важно понимать, что эти две сферы деятельности совер¬
шенно различны по своей природе. Они базируются на
разных научно-технических принципах, требуют различ¬
ной квалификации работников (как технических знаний,
так и практических навыков) и характеризуются весьма
различными уровнями затрат и различными рынками.
Появление микропроцессоров оказало сильное и глу¬
бокое влияние на проектирование электронного обору¬
дования и средств вычислительной техники. При этом
такие области знаний, как электронная техника и вычисли¬
тельная математика, перекрывают друг друга, а это при¬
водит к тому, что конструкторы оборудования на базе
микропроцессоров должны развивать свои профессио¬
нальные знания для разработки программного обеспе¬
чения. Однако не следует думать, что конструирование
электронного оборудования сузилось до чистого прог¬
раммирования. Разработчик измерительного прибора, на¬
пример, должен хорошо представлять физические пара¬
метры и эргономические условия, в которых будет
работать его прибор. Все эти факторы определяют
спецификацию системы. С позиций «стоимость — эффек¬
тивность» ее реализация требует некоторого переплете¬
ния аппаратных и программных средств. При этом
микропроцессоры являются лишь одним из множества
компонентов, которые разработчик использует для полу¬
чения эффективного инженерного решения. Микропро¬
цессор представляет собой важное дополнение ко всем
средствам решения технических проблем, находящихся
в руках инженера-электронщика, но он не обеспечивает
их наилучшее решение. Оптимальные по конструкции
приборы по критерию «стоимость — эффективность»
могут быть созданы лишь теми инженерами, которые
могут правильно оценить относительные достоинства
микропроцессоров и других средств, а также придержи¬
ваются принципов целесообразности при проектирова¬
нии, применяя в равной мере аппаратное и программное
обеспечение.

Home and Office
Computers
Компьютеры
дома и на работе
Г. г. когхилл
Появление ЭВМ в самых разнообразных областях —•
от автоматических касс до стиральных машин с микро¬
процессорным управлением — стало возможным благо¬
даря новой микроэлектронной технологии. Массовое
производство кристаллов, стоимость которых равна
примерно стоимости книги, и компьютеров с доста¬
точно высокой вычислительной мощностью, которая соиз¬
мерима с мощностью большинства комллерческих
машин 60-х годов, сделало их доступными для широкого
круга пользователей от профессионалов до любителей.
Эти недорогие системы стали использоваться также в уч¬
реждениях для решения различных бухгалтерских задач.
Одно из наиболее полезных применений связано с появ¬
лением процессоров для обработки текстов, программы
для которых позволяют пользователю более эффективно
работать со своими рукописями, чем это было прежде.
Пожалуй, основным стимулом для автоматизации
задач, решаемых в учреждениях, должно служить умень¬
шение потока бумажных документов, так как в любой
организации средних размеров около 85% информацион¬
ного обмена происходит между отделами. Если доступ
к терминалу ЭВМ станет возможен для любого сотруд¬
ника, то легко можно обойтись без бумажного посред¬
ника.
Большинство людей не понимают работу компьютеров
и не знают об их основных ограничениях, поэтому широ¬
кое распространение ЭВМ вызывает у них некоторое
опасение. Следовательно, целесообразно рассмотреть
более подробно принцип функционирования ЭВМ, преж-
G. G. COGHILL. Home and Office Computers.
5i;
67

де чем обсуждать вопросы об их возможностях в настоя¬
щем и будущем.
Компьютеры могут быть аналоговыми и цифровыми.
Почти все современные машины, если только они не
предназначены для специальных применений,— цифро¬
вые. По этой причине в подавляющем большинстве
учебников изучаются цифровые компьютеры. Аналоговая
величина может изменяться непрерывно (например,
температура в комнате), а цифровая — принимать конеч¬
ное множество значений. При вычислениях цифровая
величина представляется обычно напряжением. Цифро¬
вой компьютер основан на двоичной системе счисления,
где один уровень напряжения (обычно +5В) исполь¬
зуется для представления двоичной «1», а другой (обыч¬
но ОВ) для представления двоичного «О». При этом
последовательность «1» и «О» может передаваться
по проводнику из одного места машины в другое.
Чтобы передать возможно больше информации в еди¬
ницу времени, используется несколько параллель¬
ных проводников. В этом случае такая группа проводни¬
ков называется шиной. Обычно число проводников равно
8, 16 или 32. Основной единицей для измерения коли¬
чества информации является бит (двоичная единица),
а потому 8-разрядная шина, состоящая из восьми линий,
способна передавать одновременно 8 бит информации,
называемые байтом. Значит, 16-разрядная шина может
передавать параллельно два байта.
Напомним, что типовая вычислительная система со¬
держит три основные части: центральный процессор,
память и цепи ввода / вывода. Все они подключены к
шинам. Обычно в машине применяются две шины: шина
данных для передачи информации и адресная шина,
которая позволяет находить ячейку, в которую посылается
эта информация. Для синхронной работы всех компо¬
нентов машины используется таймер (машинные часы).
Цепи ввода / вывода обеспечивают связь машины с внеш¬
ним миром. Устройства ввода / вывода включают печа¬
тающие устройства (принтеры) и дисплеи. Память позво¬
ляет хранить необходимые пользователю программы и
данные. Она бывает разных типов и характеризуется
скоростью реакции на запрос ЦП. Как правило, «медлен¬
ная» память является более дешевой, и этот факт при¬
водит к использованию комплекса программ, называемых
операционной системой. Она обеспечивает хранение про-
68

Структура ЭВМ. Основными компонентами любого компьютера
являются центральный процессор (ЦП), память, устройство ввода / вы¬
вода и шины. ЦП выполняет арифметико-логические операции и
реализует функции управления. В состав запоминающего устройства
входят постоянное ЗУ (ПЗУ), где хранится набор машинных команд
и другие фиксированные данные, и оперативное ЗУ (ОЗУ), где
хранятся обрабатываемые данные. Интерфейс ввода / вывода включает
управляющую логику для управления преобразованием последователь¬
ного или параллельного кода данных к различному периферийному
оборудованию ЭВМ, такому, как принтеры, дисплеи и клавиатуры.
Имеются по меньшей мере три шины, подключенные к основным
компонентам машины: шина адреса, по которой передается информа¬
ция, указывающая требуемые ячейки памяти; шина данных, служащая
для передачи данных между различными элементами ЭВМ; шина управ¬
ления, по которой передается информация, определяющая, какие опе¬
рации должны выполняться
грамм и данных большого объема в медленной памяти
и организует преобразование обрабатываемых данных,
содержащихся в быстрой памяти меньшей емкости. Опе¬
рационная система придает компьютеру индивидуаль¬
ность, так как именно этот комплекс программы вклю¬
чает набор команд, обеспечивающий взаимодействие
машины с пользователем. Хорошая операционная систе¬
ма выполняет все задачи по управлению памятью и
планированию ввода и вывода в автономном режиме.
Центральный процессор — это сердце компьютера.
Он способен интерпретировать и выполнять все команды,
хрянящиеся в памяти, и включает сложную логику
управления и набор регистров для создания времен¬
ного рабочего пространства. Регистры образуют внутрен¬
нюю память, которая оптимизирована с точки зрения
эффективной скорости доступа. ЦП воспринимает язык
самого низкого уровня, функции которого ограничены
69

операциями, выполняемыми с помощью этих регистров.
Так, например, каждый компьютер способен передавать
данные к одному из регистров по шине данных.
К содержимому некоторых регистров информация, по¬
ступающая из внешней памяти, может прибавляться или
вычитаться. В их число всегда входит регистр, называе¬
мый программным счетчиком, который содержит номер
очередной команды, подлежащей выполнению. Он «зна¬
ет» адрес внешней памяти, где хранится эта команда, и
производит ее выборку в ЦП. При этом содержимое
программного счетчика возрастает и указывает адрес
следующей команды и т. д. Очевидно, что разрядность
счетчика определяется числом линий в шине адреса.
Если последняя имеет 16 линий, то программный счет¬
чик способен хранить 16 бит информации. Это дает воз¬
можность адресовать 65 536 ячеек памяти.
Точно так же объем информации, который может быть
записан во внешнюю память, зависит от числа линий шины
данных. Если она имеет восемь разрядов, то каждая
ячейка памяти также характеризуется такой же раз¬
рядностью. Однако можно организовать память так, что¬
бы каждая ячейка содержала 16 бит, тогда для ее
адресации необходимо посылать по этой шине последова¬
тельно две 8-битные группы двоичных символов. При этом
они будут накапливаться в ячейке памяти двойной длины
с помощью некоторой внешней управляющей логики.
Разрядность ячейки памяти характеризует разрядность
машинного слова данной ЭВМ, длина которого зависит
от типа компьютера.
Самой быстрой памятью современных малых ЭВМ,
используемых в быту и учреждениях, является полупро¬
водниковая память, на основе которой создается опера¬
тивное запоминающее устройство. Оно в общем случае
не устойчиво, т. е. при отключении питания содержаща¬
яся в ОЗУ информация стирается. По этой причине
большинство малых вычислительных систем включает по¬
стоянное запоминающее устройство (ПЗУ) небольшой
емкости. В нем обычно содержится набор подпро-
грамм-утилитов и программ загрузчиков, которые позво¬
ляют запустить систему после включения. Эти программы
записываются на заводе-изготовителе ПЗУ.
Целесообразно уделить внимание используемой тер¬
минологии. Читатель, вероятно, знаком с термином «ап¬
паратное обеспечение». Под ним понимается набор
70

электронных компонентов, которые вместе составляют
вычислительную систему. Широкое применение этого
термина привело к появлению термина «программное
обеспечение», которым обозначают набор программ и
данных, содержащихся в конкретной машине. Программы
в отличие от аппаратных средств не постоянны, т. е.
они могут быть легко изменены без какого-либо из¬
менения аппаратуры.
Всего есть три типа «медленной» памяти: твердые
диски, гибкие диски и магнитные ленты. Твердый диск
немного напоминает известные всем граммофонные
пластинки. Однако вместо звуковых дорожек, идущих по
спирали от края пластинки к центру, диск, изготов¬
ленный из магнитного материала, содержит набор кон¬
центрических магнитных дорожек. Считывание и запись
информации производится магнитной головкой, которая
может двигаться поперек дорожек (вперед и назад). Гиб¬
кий диск аналогичен твердому, но значительно дешевле и
в соответствии со своим названием гибок. Магнитная
лента характеризуется гораздо большим временем дос¬
тупа к требуемой записи, так как информация распо¬
ложена на ней последовательно вдоль ее длины, а потому
для поиска нужного участка ленту необходимо перематы¬
вать вперед или назад. Лента позволяет хранить боль¬
шой объем данных, но ее применение ограничивается,
как правило, записью редко используемой информа¬
ции. В последнее время появились более экзотические
типы запоминающих сред, представляющие собой компо¬
ненты новых изделий, но о них будет рассказано
позже.
Наиболее распространенным средством ввода данных
в вычислительную систему является клавиатура телетайп¬
ного вида. Она часто входит в состав небольших тер¬
минальных систем с устройством отображения в виде
телевизионного экрана, позволяющего пользователю
контролировать вводимую с помощью клавиатуры ин¬
формацию. Экран такого дисплея обеспечивает также
отображение программ и данных, хранящихся в памяти.
Любая полная вычислительная система включает в свой
состав также устройство для изготовления твердых копий.
Клавиатура терминала может быть сопряжена, помимо
дисплея, еще и с печатающим устройством (принтером).
Подобное периферийное оборудование ЭВМ является
стандартным, но оно — медленно действующее и расхо¬
71

дует слишком много бумаги. Часто удобнее формиро¬
вать текст с помощью дисплея, а печатать его после
окончательного редактирования. Различные печатающие
устройства доступны для пользователя, и их подклю¬
чение к машинной шине осуществляется через соответ¬
ствующий интерфейс.
Тип печатающей головки определяет качество выход¬
ного текста. Наиболее широко применяется точечная
печать, когда головка представляет собой небольшую
по размеру матрицу штифтов, которую можно програм¬
мировать для создания конфигурации желаемого симво¬
ла для печати. В высококачественных принтерах ис¬
пользуется сферическая головка колесного типа, состоя¬
щая из центральной ступицы и 30 или 40 спиц,
на концах которых находится зеркальное отображение
символов. Выбор последних производится путем вра¬
щения колесика с высокой скоростью до такого поло¬
жения, пока требуемый символ не будет находиться
против ударного молоточка. Достоинство этого типа
принтера — легкая замена головки для перехода на дру¬
гой набор символов. Часто требуются более сложные
методы для вывода рисунков и графиков. Для этого
используются так называемые графические терми¬
налы, которые обеспечивают цветовое воспроизведение,
более высокое разрешение и гибкость при отображении
графической информации. Но стоят они дорого. Графо¬
построители (плоттеры) позволяют создавать твердые ко¬
пии рисунков и графиков.
Лучшим примером влияния компьютера на традици¬
онные методы подготовки документов в учреждениях
является обработка информации с помощью про¬
цессоров текста. Традиционный метод подготовки
документа или отчета — авторская рукопись, которая
далее передается машинистке. Затем рукопись печатает¬
ся и возвращается автору для проверки. Автор считы¬
вает текст и обнаруживает ошибки. Процесс коррекции
(закрашивание, перепечатывание символов с ошибкой)
повторяется несколько раз. При добавлении одного или
более слов часть страницы перепечатывается.
После обучения работе с ЭВМ этот метод подго¬
товки документов представляется весьма эффектив¬
ным по затратам времени. Проект текста может быть
включен в компьютерный файл машинисткой или авто¬
ром. Краткие директивы по формату текста, служа¬
72

щие для разметки параграфов, заголовков и т. п., вводят¬
ся одновременно с текстом и затем обрабатываются
машиной. После этого автор может проверить наличие
ошибок и исправить их с помощью редактора текста —
программы, позволяющей пользователю модифициро¬
вать текст, т. е. замещать, устранять или добавлять
при необходимости целые абзацы. Когда текст станет
удовлетворительным, файл обрабатывается другой про¬
граммой, которая учитывает директивы по его формати¬
рованию.
Программы обработки текстов входят в специальные
пакеты прикладных программ, которые обеспечивают
дополнительные возможности (например, подсчет числа
слов в файле и даже проверка и печатание ошибок).
Однако более важное преимущество хранения докумен¬
тов в компьютерном файле состоит в том, что текст
можно легко модифицировать или изменять через неко¬
торое время. Удобство обработки информационных фай¬
лов и представляет собой главное отличие компьютера
от программируемого калькулятора.
Одно из наиболее мощных приложений современных
ЭВМ, помимо подготовки документов, состоит в создании
баз данных и информационных систем, где хранится ин¬
формация почти обо всех объектах, известных челове¬
честву. Так, например, какая-либо большая компания
желает создать список всех выпускаемых ею изделий,
организованный таким образом, чтобы записи об изде¬
лиях одного типа были сгруппированы под одним
именем и доступ к ним производился по единому
ключу. Для каждой подсекции может использоваться свой
ключ в зависимости от того, как относительно друг
друга расположены записи в файле. Большая работа
проводится для обеспечения доступа к информации
любому необученному пользователю с помощью естест¬
венного языка. Английский, немецкий и французский
языки представляют собой примеры естественных язы¬
ков, которые развивались тысячи лет, и их граммати¬
ка весьма сложна. Поэтому задача разработки програм¬
мы для ЭВМ, успешно реализующей грамматический раз¬
бор любого предложения, в настоящее время практи¬
чески неразрешима. Были созданы программы для интер¬
претации некоторого подмножества английского языка, и
когда предложение не «понималось» машиной, пользова¬
телю посылался запрос о перефразировании его пред-
73

Персональная ЭВМ. Диапазон ее применений ограничивается
лишь изобретательностью пользователя (домашний компьютер, ЭВМ
для хобби и др.). На рынке можно приобрести различные пакеты
прикладных программ для решения таких задач, как музыкальные
композиции, домашние хозяйственные расчеты и учебные игры. До¬
машний компьютер может также использоваться для управления
по дому (например, управление центральной отопительной системой
или системой сигнализации в случае взлома)
ложения. Такой подход достаточно эффективен, но при
этом могут попадаться двусмысленные предложения,
правильная интерпретация которых возможна только че¬
ловеком. Подобные системы управления базами данных,
допускающие или не допускающие взаимодействия с
естественным языком, становятся крайне важной частью
деловой жизни. Возможно, наиболее важное влияние,
которое окажет современная компьютерная технология
на человеческое общество, будет состоять в быстром
распространении информации с помощью систем баз дан¬
ных.
Интересно отметить, что появление недорогого (цена
100 долларов) карманного телевизора, выпускаемого
компанией Sinclair of Cambride Ltd., вызвала больший
интерес публики, чем появление аналогичного по цене
компьютера той же компании. Хотя компьютер Sinclair
74

ZX80 продается довольно хорошо (продано около 50 000
штук в первый год выпуска), но объем продажи
карманного телевизора превышает сотни тысяч, а воз¬
можно, и миллион. Сообщение же о том, что разрабо¬
тан более дешевый вариант этой машины (ZX81), оста¬
лось практически незамеченным. На основании этих све¬
дений можно сделать вывод, что 90% граждан предпочли
бы купить новый тип телевизора, а не компьютер.
Бытует мнение, что дешевый домашний компьютер боль¬
шую часть времени, подобно карманному калькулятору,
будет пылиться на полке. Это можно объяснить тем, что
обучение работе на современной малой ЭВМ требует
таких же усилий, как и обучение игре на музы¬
кальном инструменте. Такой барьер ограничивает рынок
сбыта компьютеров. Современное не совсем удовлетво¬
рительное отношение к домашним ЭВМ скорее всего
изменится с появлением интеллектуальных интерфейсов
с машиной.
Все более популярными становятся компьютеризован¬
ные игры. Им, однако, предназначена та же участь, что и
карманным калькуляторам, т. е. они надоедают вскоре
после первоначального восторга новой игрушкой. Даже
если у игрока и сохраняется некоторый интерес, то
вскоре он затухает. Исключение составляют лишь ком¬
пьютерные шахматы.
Многие товары на рынке компьютеров отвечают высо¬
ким стандартам и имеют доступную цену. Для новичка
в области ЭВМ высокое качество, характеризующее шах¬
матные программы, возможно, не очевидно, а потому
следует сказать по этому поводу несколько слов. В начале
60-х годов, когда появились первые современные цифро¬
вые машины, многие специалисты в области вычисли¬
тельной техники, пребывающей тогда еще в младен¬
ческом возрасте, осознавали, что модель шахматной игры
наиболее подходит для изучения решения проблем на ба¬
зе ЭВМ. Они предполагали, что полученный таким обра¬
зом опыт приведет к разработке общих стратегий реше¬
ния любых задач. Такой подход принес лишь частичный
успех. Несмотря на то что это новое понимание было
затем применено и в других областях знаний, никаких
общих решений найдено не было. Однако несмотря на
неудачи, в последние 20 лет были предприняты усилия
в изучении компьютерных шахмат, и в результате
мы имеем теперь весьма эффективные машинные про¬
75

граммы игры в шахматы. Доказательством того, что ра¬
бота в этом направлении не привела к общим решениям,
служит низкий уровень других компьютерных игр.
К совершенно другой категории относятся игры типа
«завоеватель космоса» с графическим отображением
результатов. Продемонстрировано важное достоинство
машины — быстродействие. Развитие игр, требующих от
пользователя быстрой реакции и точности, базируется в
настоящее время на постоянном увеличении сложности
программ и графическом выводе. Системные програм¬
мисты стараются здесь идти на шаг впереди энтузи¬
астов-любителей.
Компьютеры в виде микропроцессорных кристаллов
будут вторгаться в наш дом и многими другими путями.
Уже сейчас микропроцессоры встраиваются в бытовые
приборы, такие, как кухонные плиты и стиральные маши¬
ны, а так как не требуется операторского опыта при
работе с ними, то вскоре их ожидает повсемест¬
ное использование. Одно из очень важных применений
микропроцессорных систем в быту связано с регулиров¬
кой температуры в помещениях.
Широкое применение компьютеров для решения
самых разнообразных задач, возникающих в учрежде¬
ниях, стало возможным благодаря разработке дешевых
персональных ЭВМ, вычислительная мощность которых
соизмерима с мощностью ранее выпускавшихся больших
машин. Персональные вычислительные системы комплек¬
туются программами, способными производить бухгал¬
терские расчеты, различные вычисления, обработку
текстов и даже простейшее управление базами данных.
Большинство из этих систем базируется на 8-разрядных
микропроцессорах, таких, как Z80. Операционная система
и многие другие полезные программы поставляются
вместе с системой, но значительно большая часть
программных комплексов поставляется на рынок ЭВМ
специализированными предприятиями по разработке
программного обеспечения для различных приложений.
К сожалению, до настоящего времени совместимость
различных систем не всегда удовлетворительна. Про¬
граммы могут быть написаны на языке ассемблера или на
каком-либо языке высокого уровня. Первый представляет
собой набор мнемонических обозначений, который
программист может применить для облегчения составле¬
ния программы на языке низкого уровня (машинного
76

Учрежденческая вычислительная система. Небольшие, недорогие и
простые в обращении микрокомпьютерные системы пригодны в насто¬
ящее время для решения самых разнообразных задач. Средства
для обработки текста и подготовки документов могут быть интегри¬
рованы в одной системе, где используются клавиатура и
устройство отображения для написания текста, центральный процессор
и гибкие диски для хранения информации, а также высококачествен¬
ный принтер для окончательной печати документа или письма
кода), понимаемого внутренней логикой центрального
процессора. Такая программа затем обрабатывается с
помощью другой программы, называемой ассемблером,
которая переводит мнемонические обозначения в машин¬
ный код, после чего обработку данных может выпол¬
нять микропроцессор. Так, например, команда «LDA 3»
означает: «загрузить в аккумулятор А содержимое ячей¬
ки памяти 3». Соответствующий машинный код для
микропроцессора Motorola 6800 имеет в этом случае сле¬
дующий вид «100101000000011».
С другой стороны, язык высокого уровня мало зависит
от внутренней структуры машины, а поэтому такая же
программа может выполняться любой вычислительной
системой, в ПО которой включен соответствующий
компилятор. Последний представляет собой программу,
которая транслирует язык высокого уровня в машинный
код, готовый для непосредственного выполнения на
77

конкретной машине. Такой компилятор должен быть на¬
писан для каждого типа микропроцессора, если предпо¬
лагается обмен программами между двумя системами.
Это иногда приводит к неполной совместимости двух
систем, так как данный компилятор часто разработан
фирмой, специализирующейся на производстве одного
типа микропроцессора, Поэтому интерпретация опреде¬
лений языка будет слегка изменяться при переходе от
одной системы к другой. Эти небольшие вариации могут
потребовать затрат времени на преобразование програм¬
мы для одной системы при ее прогоне на другой системе.
Такая процедура все же существенно проще, чем пере¬
пись программы на языке ассемблера. Другим достоинст¬
вом языков высокого уровня является четкость и легкость
написания программы, во что новичку иногда трудно
поверить.
Программы пакета прикладных программ (хранящие¬
ся на гибких дисках или магнитной ленте) часто пред¬
ставлены в формате машинного кода, являющегося ре¬
зультатом работы компилятора или ассемблера. Важно
отметить, что такой пакет точно соответствует конкрет¬
ной системе, и поэтому его трудно модифицировать
для совместимости с другой системой. В качестве альтер¬
нативы этому принципу применяется код источника,
представляющий собой программу на некотором языке
высокого уровня, на котором она была первоначально
написана. Реализация этого принципа обходится дороже,
и к тому же еще требуется обработка кода источ¬
ника соответствующим компилятором. Тем не менее на¬
личие компилятора для какого-нибудь распространенно¬
го языка высокого уровня позволяет довольно просто
модифицировать большинство программ для многих
типов систем, даже если они не полностью совместимы.
Еще одним достоинством таких языков является их не¬
зависимость от длины машинного слова. Так, например,
программа для 8-разрядной микропроцессорной системы
имеет такой же вид, как программа для мини- или боль¬
шой ЭВМ. Это важно в тех случаях, когда с течением
времени аппаратное обеспечение машины усложняется.
В действительности же этот вопрос весьма важен при
решении проблемы выбора класса машины для каких-
либо специальных приложений.
До недавнего времени вычислительные системы дели¬
лись на три группы в зависимости от своего размера и ха-
78

Вычислительная система на базе мини-ЭВМ. Мини-компьютеры
требуют минимального обслуживания и идеально подходят для
решения самых разнообразных задач в малых и средних учреж¬
дениях. Операционные системы, реализующие режим раз¬
деления времени (UNIX), позволяют обеспечить одновременный доступ
к машине нескольких пользователей, выполнить программы управления
финансами, инвентаризации товаров, обработки документов и (персо¬
нальных) незвуковых записей. Типовая система включает, как показано
на фото (мини-ЭВМ PDP 11/60), два дисковода, консоль оператора и
алфавитно-цифровое печатающее устройство.
рактеристик. К первой группе — малых ЭВМ — принадле¬
жал 8-разрядный персональный компьютер на базе мик¬
ропроцессора. Ко второй — мини-ЭВМ, длина машинного
слова которой составляла примерно 16 разрядов. В
третью группу входили большие машины, типичным при¬
мером которых служит система IBM 370. Стоимость
и характеристики ЭВМ каждой из этих групп возрастают
примерно на порядок от микро- до суперкомпьютеров.
Быстрый прогресс в области микроэлектроники снова
драматически изменил сложившуюся ситуацию. Произ¬
водители больших ЭВМ создают все более мощные
машины. Однако более впечатляющим событием являет¬
ся появление 16-разрядного микропроцессора. Его мощ¬
ность соизмерима с мощностью хорошего мини-компью¬
тера, а поскольку он выполнен на одном кристалле,
то доступная цена соответствующей 16-разрядной микро¬
79

машины обеспечит ее проникновение на рынок
персональных ЭВМ. Это событие привело также к тому,
что вместо трех указанных типов машин в настоящее
время имеется непрерывный спектр компьютеров от
микро-ЭВМ (например, Sinclair ZX81) до супер-ЭВМ
(например, IBM 3081).
Разработка 16-разрядного микропроцессора оказала
важное влияние на обработку данных в учреждениях.
Поэтому следует рассмотреть вопрос о развитии указан¬
ной области применения ЭВМ. Наиболее целесообраз¬
но в связи с этим затронуть проблемы создания операци¬
онных систем, так как для 16-разрядных микромашин
возможно использование трех подходов. Первый бази¬
руется на разработке совершенно новой ОС, где исклю¬
чены слабые места современных операционных систем.
Второй подход состоит в совершенствовании ОС для
8-разрядных микрокомпьютеров, а третий, наиболее
рациональный,— в модификации ОС для современных
мини-ЭВМ. Хотя операционная система сама по себе мало
интересует пользователя, но выбор ЭВМ с мощной ОС
типа UNIX продлит жизнь вычислительной системы.
Важный вопрос при выборе ЭВМ связан с режимом
разделения времени, обеспечиваемым ОС, т. е. будут ли на
машине одновременно работать несколько операторов.
Система с разделением времени позволяет подклю¬
чать большое число видеотерминалов к одной машине,
которая распределяет свои вычислительные ресурсы
(время процессора) между активными пользователями.
Если ЭВМ характеризуется высоким быстродействием
(а операционная система достаточно хороша), то каждый
пользователь должен ощущать, что только он работает с
машиной. Естественно, что при подключении к одной вы¬
числительной системе одновременно большого числа
пользователей ее реакция будет замедляться, поэтому
требуемая мощность ЭВМ определяется числом одно¬
временно работающих пользователей и характером про¬
изводимых вычислений.
Если предполагается регулярная работа с машиной
более двух пользователей, то 8-разрядный персональ¬
ный микрокомпьютер не подходит для этой цели, так
как он не обеспечивает достаточной вычислительной
мощности при работе в режиме разделения времени.
В силу этого большинство ОС для 8-разрядных машин
предназначено для работы в однопрограммном режиме,
80

ориентированном на решение задач одного пользователя.
Отсюда очевидна главная причина большей трудоемкости
модификации ОС 8-разрядных ЭВМ в ОС для 16-раз-
рядных машин, чем адаптация ОС для мини-компьюте¬
ров. При необходимости использования режима с
разделением времени должна быть рассмотрена система
на основе 16-разрядного микропроцессора, так как она
будет значительно дешевле и будет иметь вполне доста¬
точную мощность. Последние достижения в области
разработки массовой памяти делают подобные системы
даже более привлекательными по показателю «отно¬
шение стоимости к производительности».
Несмотря на то что гибкие диски нашли широкое
применение на рынке персональных ЭВМ, они не обеспе¬
чивают достаточной надежности и скорости для исполь¬
зования в системах с разделением времени. Лучшее ре¬
шение в этом случае — использование пакета небольших
твердых дисков, среди которых наиболее известны
винчестерские. Некоторые компании предлагают системы
с одним пакетом таких дисков для решения общих
задач и стримером для систем управления задачами.
Стример — это устройство машинной памяти, состоящее
из магнитной ленты, собранной в патрон, а не намо¬
танной на катушку, что позволяет продвигать ее вдоль
магнитной головки с гораздо большей скоростью, чем в
обычных накопителях. Стример может использоваться
также для дублирования дисковой операционной системы
в случае выхода последней из строя. Если диск повре¬
дился, то состояние системы в последнем прогоне может
быть восстановлено.
Другим фактором, влияющим на выбор вычислитель¬
ной системы для учреждений, является ее связь с
другими подобными системами, образующими вместе
географически распределенную сеть. Если расстояние
между различными учреждениями велико для пря¬
мой связи, то для соединения их может быть исполь¬
зована телефонная сеть. Последняя при необходимости
может обеспечить также доступ к удаленной базе дан¬
ных. Но в настоящее время использование телефонных
каналов обходится дорого, хотя тарифы для передачи
данных в ночное время достаточно низкие. Системы
передачи данных активно развиваются, и будущие систе¬
мы на базе сетей с пакетной коммутацией должны из¬
менить эту ситуацию.
6 Заказ 11730
81

Вычислительный комплекс на базе большой ЭВМ. Такой комплекс
(на фото показана ЭВМ IBM 3081) представляет собой хороший пример
современной большой вычислительной системы универсального назна¬
чения. Они могут найти применение в управлении производством,
банковском деле, страховых компаниях и правительственных учрежде¬
ниях. Специальным примером приложений служит использование боль¬
ших ЭВМ в качестве центральной базы данных в системах бронирования
мест на самолетах. Такая система включает в свой состав совершенное
оборудование, например цветные графические дисплеи, принтеры и
мониторы, и характеризуется большим объемом памяти и очень высо¬
ким быстродействием
Одной из главных является проблема взаимодействия
распределенных автоматизированных рабочих мест. При
внедрении распределенной системы баз данных должна
обеспечиваться гарантия, что ни один из ее пользо¬
вателей на своем рабочем месте не смог бы модифи¬
цировать какую-либо копию базы данных без информи¬
рования остальных о своих действиях. В этом состоит
одна из причин использования низких ночных тарифов,
чтобы информация, о различных изменениях на рабочих
местах, днем могла быть своевременно передана на
все другие рабочие места (для достижения полной
определенности перед началом следующего рабочего
дня).
Что же тогда представляет собой учреждение будуще¬
го — учреждение без машинисток, с пустыми кабинета¬
ми, с компьютерными консолями вместо столов? Самое
82

сильное противодействие электронному учреждению
оказывает неопределенность перехода в новое состоя¬
ние относительно настоящего. Заполненные каби¬
неты и прочее останутся до тех пор, пока некоторые
компании будут работать традиционными методами. Наи¬
более правдоподобна ситуация, когда постоянно будет
увеличиваться число учреждений, где отдают предпочте¬
ние электронному оборудованию. Она будет достигнута
при практически повсеместном использовании компьюте¬
ров, что позволит различным учреждениям проводить
деловые операции только с теми компаниями, которые
располагают одинаковым с ними электронным обрудо-
ванием. Когда это произойдет, компании, неизменно
придерживающиеся старых методов управления, быстро
исчезнут. К сожалению, указанный механизм эволюции
приведет лишь к частичной компьютеризации учрежде¬
ний и может создать ситуацию, наблюдавшуюся в XIX сто¬
летии при постройке железных дорог, когда различные
компании использовали дороги с различной колеей.
Однако, как и ранее, будут приняты универсальные
стандарты, определяющие совместимость различного
оборудования.
Один из больших недостатков даже самых современ¬
ных учреждений, насыщенных электронной техникой, за¬
ключается в неэффективном ручном вводе текста через
клавиатуру периферийных устройств ЭВМ. Это огра¬
ничивает скорость ввода работоспособностью луч¬
шей машинистки. Очевидное решение проблемы свя¬
зано с разработкой систем распознавания речи, позво¬
ляющих вводить данные со скоростью произнесения фраз
человеком. Это обеспечит быстрый ввод текста даже
необученным пользователем. Для реализации таких
систем речевого ввода в настоящее время проводится
большая научно-исследовательская работа.
Предсказывают, что интегрированные учрежденче¬
ские системы появятся в течение ближайших пяти лет.
Подобные системы должны быть спроектированы так,
чтобы минимизировать усилия на обучение, так как
неинформированность пользователя и высокая стоимость
обучения могут стать реальной преградой на пути
прогресса. Поэтому целесообразно уделять гораздо
больше внимания созданию интерфейсных средств,
обеспечивающих простое взаимодействие человека с
ЭВМ.
6’
83

А что нового в технологии? Каких еще сюрпризов
лаожно ожидать? Что касается запоминающих устройств,
то здесь появилось много новых идей. Разрабатывается
оптическая система записи информации, емкость которой
составит 106 Мбайт, а время доступа — менее 1 с. Память
на магнитных доменах все еще оказывает влияние на
малые вычислительные системы. Факсимильные изобра¬
жения рукописного текста или рисунков могут переда¬
ваться по телефонным каналам связи, а поэтому электрон¬
ная почта станет неотъемлемой частью электронных
учреждений. Для передачи данных созданы терминалы
со встроенными микромашинами и модемами, раз¬
меры которых не превышают размеров небольшого
чемодана. Такие терминалы могут служить в качестве
переносной рабочей станции. А при наличии раз¬
витых сетей связи они могут быть подключены к сети
в любом месте.
Такая тенденция позволяет предположить, что концеп¬
ция интегрированного электронного учреждения — это
заблуждение, и когда микроэлектроника станет всеобъ¬
емлющей, то необходимость в учреждениях отпадает
совсем. Если в будущем придется переписывать эту
главу, то она может быть названа так: «Домашние
компьютеры»

Microelectronics
in Consumer Products
Микроэлек грони ка
в потребительских
товарах
Ь\. А. ДЖЕК
Революция в области микроэлектроники оказала силь¬
ное влияние на рынок электронных товаров для мас¬
сового потребления, хотя последний и не является новым.
Однако его развитию препятствовала высокая стоимость
многих электронных изделий. Ситуация изменилась лишь
с производством дешевых и надежных микроэлектронных
изделий, разнообразие которых кажется бесконечным.
Применение микроэлектроники и микропроцессоров не
ограничивается лишь специальным научным оборудова
нием, а распространяется и на такие товары, как игрушки,
игры и предметы домашнего обихода. Даже автомо¬
биль, который является в первую очередь механи¬
ческим изделием, был затронут микроэлектроникой.
В настоящее время предполагается широкое внедрение
в него микропроцессорных систем для оптимизации ре¬
жима работы двигателя и обеспечения водителя такой
информацией, как оценка времени прибытия в пункт
назначения, запас топлива, время дня и др.
Для большинства людей телевизор представляет со¬
бой самый распространенный бытовой предмет, насыщен¬
ный микроэлектроникой. При проектировании телевизо¬
ров конструкторы постоянно внедряют последние дости¬
жения микроэлектроники, включая микропроцессоры.
Первые интегральные схе/^ы использовались для замены
менее надежных и часто более дорогих компонентов.
Например, механические детали, такие, как переключа¬
тели телевизионных каналов и кнопочные переключатели,
были заменены интегральными схемами для фиксиро¬
ванной настройки и сенсорного переключения. Внедрение
цветного телевидения само по себе стало возможным
М. A. JACK. Microelectronics in Consumer Products.
85

Бытовые видеоприборы. Обычный телевизионный приемник состав¬
ляет ядро домашнего информационного центра. Помимо его использо¬
вания для отображения текстов и графиков, передаваемых службами
«Телетекст» и «Видеотекс», телевизор составляет неотъемлемую
часть видеодиска и видеомагнитофона, предназначенных для развлече¬
ний в кругу семьи. Имеются предположения, что рынок аппа¬
ратуры для проигрывания видеозаписей (фильмов, телеспектаклей
и т. п.) значительно расширится в этом десятилетии. В продаже уже
имеются самые различные видеоигры, а в сочетании с телевизором
и домашним компьютером можно получить широкий диапазон телеви¬
зионных игр. Такая система может применяться и для более серь¬
езных задач (например, для ведения домашнего хозяйства)
благодаря разработке новых интегральных микросхем и
привело к нововведениям при проектировании телевизи¬
онных устройств. Стали, например, возможны электрон¬
ное отображение номера канала и электронная настрой¬
ка на ТВ-программу. Вероятно, наиболее успешную но¬
винку представляет собой дистанционное управление
выбором канала, громкостью и контрастностью. Для
этого используется или ультразвуковой сигнал, или
86

инфракрасный луч, посылаемый передатчиком, встроен¬
ным в ручное устройство управления, и принимаемый
специальным приемником телевизора. Соответствующие
интегральные схемы выполняют необходимые операции
по сигналу управления. К настоящему времени тенден¬
ция нововведений выявилась в разработке микроэлект¬
ронных периферийных устройств к телевизору, причем
последний используется как средство отображения
информации. Цветной телевизор стал естественным кан¬
дидатом на применение микроэлектронных приборов,
и в результате само телевидение стало более разнообраз¬
ным, стало использоваться для новых задач, таких, как
видеозапись и видеодиски, информационные службы те¬
летекста и видеоданные.
Телевизионный приемник сам по себе претерпел мно¬
го существенных изменений в результате использо¬
вания в нем достижений микроэлектроники. Некоторые
из них очевидны для пользователя, другие менее замет¬
ны. Так, например, в телевизоре постоянно уменьшается
число компонентов и связей между ними, что значи¬
тельно упрощает и удешевляет его обслуживание. Новые
кинескопы с высокой разрешающей способностью и авто¬
матическим сведением луча не требуют фокусировки,
управления цветонасыщением и установки размера и
центровки изображения. Уменьшение размера элемента
изображения и повышение однородности фокусировки в
пределах экрана позволили также увеличить контраст¬
ность телевизионной картинки, сохранив при этом вы¬
сокий уровень яркости, что существенно повысило
качество изображения. Новые достижения, такие, как
технология поверхностных акустических волн (ПАВ),
которые очень легко обеспечивают массовое производст¬
во фильтрующих схем, широко используемых в телеви¬
зорах, позволяют отказаться от ранее применявшихся
сложных и дорогих фильтров. Такие интегральные схемы
на основе ПАВ снижают стоимость сборки и, что более
важно, повышают устойчивость и характеристики фильт¬
рующих устройств, а также приводят к уменьшению
размеров телевизора.
Недорогие микроэлектронные схемы позволяют
конструировать телевизоры с цифровой настройкой
примерно на 100 каналов, упрощают дистанционное
управление. В настоящее время проводятся исследова¬
тельские работы по речевому управлению, что позволит
87

заменить системы кнопочного и дистанционного управле¬
ния телевизором голосовым контроллером с небольшим
набором речевых команд. Стереофоническое воспроиз¬
ведение звука и объемное изображение — это другие
направления научного поиска. Стереовещание существует
уже несколько лет, и стереорадиоприемники стали уже
обычной бытовой аппаратурой, но объемное телевидение
находится еще в стадии исследования.
В настоящее время появилась необходимость повыше¬
ния качества телевизионного изображения, т. е. создания
телевидения, сравнимого по качеству с кино или видео¬
дисками. Улучшить изображение можно в рамках су¬
ществующих стандартов (так называемая система hi-fi
«А»). Для этого требуется разработать технически более
совершенные передающие камеры и телевизионные
приемники, которые в полной мере используют потенци¬
ал ТВ-системы с 625 строками. При этом новые прин¬
ципы цифровой фильтрации и компенсации помех
позволят подавить многие источники искажения изоб¬
ражений в современных системах. Использование
интегральных схем на основе приборов с зарядовой
связью (система hi-fi «В») обеспечит повышение качества
изображения на 25% за счет гребенчатой фильтрации
спектральных компонентов видеосигнала. Применение
систем hi-fi «В» с модифицированным стандартом переда¬
ваемого ТВ-сигнала позволит сконструировать приемники,
способные в полной мере использовать характеристики
такого сигнала для достижения более высокого качества
изображения. Основное ограничение для разработки
подобных систем состоит в том, что любые новые
стандарты должны быть совместимы с существующими
стандартами, чтобы обеспечить прием ТВ-сигнала обыч¬
ными приемниками. Еще один путь повышения качества
базируется на новых стандартах для ТВ-систем hi-fi «С».
Структура телевизионного сигнала в этом случае пол¬
ностью отличается от структуры сигнала в современ¬
ных системах, изображение разлагается на 1125 строк,
а в телевизионных приемниках предполагается использо¬
вать кинескопы с 75-сантиметровым экраном.
Телевидение все больше ориентируется на воспроиз¬
ведение изображений с кассетных видеомагнитофонов
или видеодисковых проигрывателей, а сам телевизор
предполагается использовать в качестве видеосреды.
Видеомагнитофон можно применять также в домашних
88

Телевизионная игра на основе микропроцессора. Такие
компьютеризованные игры, подключаемые к видеоразъему лю¬
бого телевизора, создают новые возможности для развлечения
в кругу семьи. В продаже имеется широкий выбор игр с военной,
приключенческой и спортивной тематикой, а также интеллекту¬
альные игры. Компьютерная консоль и органы управления стоят
примерно 200 долларов, а приложения в виде набора игр стоят
около 30 долларов
условиях для записи телевизионных программ даже в
тех случаях, когда смотрят программу по другому ка¬
налу или совсем не смотрят телевизор. Относительно
недорогие высококачественные цветные телекамеры,
на приборах с зарядовой связью, скоро поступят на ры¬
нок, а когда их масса и объем станут минимальными,
они полностью вытеснят кинокамеры.
Видеодиск можно использовать для отображения
видеоинформации на бытовом телевизоре. В настоящее
89

Системы телетекста и видеотекса. Это независимые сис¬
темы для предоставления информации в виде текста и графиков
на дому или в учреждении. Для обеспечения широкого рас¬
пространения среди потенциальных пользователей обе системы
имеют совмещаемые блоки на основе общих БИС. Но средства
для передачи данных в этих системах существенно отличаются:
в телетексте информация передается в широковещательном
режиме в нормальном ТВ-сигнале, в то время как система видео¬
текса использует для этих целей телефонную сеть. Вторая си¬
стема обеспечивает интерактивный обмен данными и доступ к
практически неограниченной базе данных
время за установление стандарта в данной области
техники конкурируют различные системы, но разра¬
ботка Video Long Player фирмы Phillips более
предпочтительна. В этой системе как первоначальная
запись, так и считывание информации в процессе «про¬
игрывания» осуществляются оптическим методом с по¬
мощью тонкого лазерного луча. Дорожки на диске
отстоят друг от друга менее чем на 2 мкм, глубина
фокусирования — менее 3 мкм, что требует высоко¬
точной и сложной системы управления лазерным лучом.
Запись можно осуществлять в двух режимах: с фикси¬
рованной угловой скоростью, обеспечивающей время
проигрывания одной стороны диска 30 мин; с фиксиро¬
ванной линейной скоростью, позволяющей вдвое увели¬
чить объем записи, т. е. обеспечить получение высоко¬
качественного телевизионного изображения в течение
2 ч. Технология тиражирования таких дисков аналогична
90

технологии изготовления копий долгоиграющих пласти¬
нок, т. е. стоимость их производства примерно одина¬
кова.
Одно из главных применений телевизора в домашних
условиях, получившее в последнее время большое рас¬
пространение, связано с внедрением систем телетекст
и видеотекса. Телетекст представляет собой информа¬
ционную систему, обеспечивающую передачу любой
страницы текста из нескольких сотен и передачу
графиков в телевизионный приемник в процессе обычной
передачи ТВ-сигнала. Эти страницы считываются из памя¬
ти компьютера, и соответствующая информация переда¬
ется во время кадровых синхроимпульсов. Можно вы¬
брать любую страницу и занести ее в память. Затем
она преобразуется в последовательность алфавитно-
цифровых символов или представляется на экране в гра¬
фической форме. Система видеотекса аналогична те¬
летексту, но сигнал передается по кабелю и пользователь
не ограничен числом страниц, так как информация
извлекается из большой базы данных, содержащейся
в компьютере этой системы.
Англия гордится тем, что именно в этой стране
были созданы первые общественные информационные
службы телетекста и видеотекса. Служба ВВС Ceefax
и аналогичная служба Oracle фирмы IBA начали рабо¬
тать в 1976 г. Британская система видеотекса под
названием Prestel вступила в строй в 1979 г. Телетекст
и видеотекс представляют собой ту среду, которая объе¬
диняет возможности газет и журналов с возможностями
телевидения. Эти системы базируются на единых стан¬
дартах отображения текстовой и графической информа¬
ции, согласованных со стандартами телевизионных прием¬
ников. Как и в газетах, указанная информация
организована в страничной форме, и каждая страни¬
ца отображается целиком на экране телевизора.
Пользователь может выбрать желаемую страницу, ввести
ее номер в электронную приставку к телевизору. Инфор¬
мация на таких страницах содержит новости, сведения
о погоде и спорте, объявления, юмор или специаль¬
ные сведения (например, финансовые сводки, данные о
состоянии рынка, бронирование мест в гостиницах или
на самолетах).
Термин «телетекст» является общим и обозначает
информационную среду, обеспечивающую широковеща¬
91

тельную передачу текста и графиков для воспроиз¬
ведения их на телевизионном экране. Информация посту¬
пает периодически по странице в единицу времени.
Поэтому приемник должен отобрать нужную страницу
в момент ее появления и записать ее в память для
последующего отображения. Данные кодируются и пе¬
редаются обычно через сеть телевещания совместно с
телевизионным сигналом.
В Великобритании ТВ-изображение разлагается на 625
строк, причем в двух соседних полукадрах содержится
соответственно 312 и 313 строк. Из них лишь 575 строк
активны, а остальные попадают в гасящие синхроимпуль¬
сы между последовательными полукадрами. Две такие
неактивные строки в каждом полукадре (четыре из 625
строк) используются для переноса сигнала телетекста,
не создавая помех приему телевизионных программ. Дан¬
ные в цифровой форме передаются в указанных стро¬
ках со скоростью 6,9375 Мбит/с. Каждая ТВ-строка со¬
держит 40 алфавитно-цифровых символов, составляющих
одну из 24 строк страницы телетекста. Полная передача
включает до 800 страниц, но, поскольку они переда¬
ются периодически, добавление одной страницы уве¬
личивает время доступа на длительность ее передачи.
За каждые 0,25 с (один полукадр) передаются две стро¬
ки телетекста, т. е. скорость передачи составляет четыре
страницы в секунду. Значит, 800 страниц в данной системе
будут переданы за 3 мин 20 с. Однако не все 800 страниц
должны быть переданы за один цикл и необязательно
передавать пустые строки.
Указанные 800 страниц делятся на восемь частей
(магазинов) по 100 страниц в каждой. Такое деление —
чисто организационное, и оно не влияет на метод
передачи. Основное его достоинство состоит в том, что
в рассматриваемой национальной системе телетекста от¬
дельные блоки могут быть заменены на такие же по
размеру. Нет необходимости передавать все части,
а также все страницы каждой части.
В первой строке каждой страницы содержится за¬
головок, в который включен номер страницы, код управ¬
ления экраном и временная отметка. Последующие
строки отмечены адресом строки и адресом магазина,
а потому строки различных частей могут быть состы¬
кованы, что и требуется для последовательной передачи
данных. Те страницы, которые пользователи запрашивают
92

чаще, могут передаваться за один цикл неоднократно,
что уменьшает время доступа к ним в 2 раза и более
(в зависимости от числа повторений) за счет увели¬
чения периода повторения на 0,25 с. Страницам, содержа¬
щим дополнительную информацию, может быть присво¬
ен единый номер, и одна основная страница может пере¬
даваться 1 раз за несколько циклов, а следом за ней
будут передаваться указанные страницы. Хорошим при¬
мером такой передачи является система Ceefax, где
перечень сообщений и метод их подготовки расположены
на отдельных страницах, которые чередуются, когда вы¬
бран номер. Наконец, каждая страница может содержать
до 3200 различных подстраниц, адресация которых про¬
изводится заданием номера страницы и кода временной
отметки, что значительно расширяет диапазон адресации.
Временные отметки подстраниц также передаются пери¬
одически, но выполняется лишь один шаг соответ¬
ствующего цикла для каждого полного перехода основно¬
го 800-страничного цикла. Такая конфигурация может
быть использована по отношению к текущим данным,
например к ценам рыночного фонда, когда большое
число страниц требуется для получения полной инфор¬
мации. Подобное расширение допускает общий объем
порядка 2,5 млн. страниц, но при этом, естественно,
существенно возрастает время доступа.
Различные режимы отображения информации позво¬
ляют получить разнообразные формы представления текста
на каждой странице. Конкретный текст и каждый графи¬
ческий символ может быть высвечен на экране в одном
из семи цветов. Каждый алфавитно-цифровой символ мо¬
жет быть отображен на фоне одного из семи цветов,
причем символы можно сделать мерцающими. Можно
также некоторые символы на странице не высвечи¬
вать, пока специальная кнопка на клавиатуре пользовате¬
ля не будет нажата. Еще две клавиши обеспечивают
расширение нижней или верхней части страницы с целью
удвоения высоты символов для облегчения чтения, при¬
чем символы могут быть представлены в специальной
форме при отображении на экране для формирования
заголовков.
Каждый из управляющих, алфавитно-цифровых и гра¬
фических символов кодируется восемью битами, а допол¬
нительный восьмой обеспечивает обнаружение ошибок с
помощью проверки на четность. Обычно декодер игно¬
93

рирует ошибочные символы, но может быть исполь¬
зована более сложная обработка в декодере, основанная
на методах интегрального приема данных. Таким обра¬
зом, при первом отображении страницы на месте оши¬
бочных символов фиксируются пробелы. Субъективное
влияние таких ошибок минимально. Так как вероятность
большого их числа на одной странице мала, то боль¬
шинство пробелов легко восстанавливается по кон¬
тексту. Наиболее неприятное воздействие независимая
ошибка порождает при искажении управляющего сим¬
вола для перехода с графического на алфавитно-циф¬
ровой регистр или наоборот, что приводит к сбою
всей строки символов. При повторной передаче инфор¬
мации в цикле почти все ошибки исправляются. Лю¬
бые новые ошибки вызывают сохранение ранее пере¬
данного символа. Поэтому большинство ошибок
исправляется при второй передаче страницы. Более серь¬
езными, но, к счастью, и более редкими являются
ошибки в двух двоичных разрядах одного кодового
слова, которые не только вызывают ошибки в тексте,
но и активизируют нежелательные режимы управления,
хотя передаваемый символ и не является управляющим.
Такие ошибки трудно исправлять по контексту, и они
могут исказить целую строку. Самый худший тип ошибки
приводит к потере строк или их замене, или отобра¬
жению другой страницы. Для борьбы с ними информация
о заголовках каждой страницы, магазине и адресе строки,
представленная побайтно, защищается корректирующи¬
ми кодами, исправляющими однократные ошибки. Сдво¬
енные ошибки обнаруживаются, и тогда строка при пер¬
вом ее приеме не высвечивается на экране, что предот¬
вращает отображение ошибочных строк.
Микроэлектроника оказала исключительное влияние
на снижение стоимости и повышение надежности техни¬
ческих средств системы телетекста. Сейчас стало обще¬
признано, что внедрение этой системы экономически
оправдано и технически стало возможно только бла¬
годаря достижениям микроэлектронной технологии. Про¬
граммисты формируют в центральной вычислительной
системе информацию, представленную на страницах
телетекста, с использованием интеллектуальных терми¬
налов с многофункциональной клавиатурой и дисплеем.
После окончания этого процесса страницы помещаются
в память главной ЭВМ, откуда они при необходи¬
94

мости могут быть введены в программу телетекста.
Выходные страницы преобразуются в стандартную для те¬
левизионного изображения форму и передаются через
распределительную сеть и далее через эфир или кабель.
На приемном конце с помощью устройства дистанцион¬
ного управления выбирается желаемая страница, которая
затем отслеживается, декодируется и поступает на экран
телевизора. Стоимость дополнительных технических
средств, реализующих указанные операции, зависит от
числа пользователей, которые подключают свой телепри¬
емник к системе телетекста. С момента появления ее
проекта было очевидно, что лишь относительно деше¬
вая приставка к телевизору породит спрос, который обес¬
печит широкое распространение телетекста. Таким обра¬
зом, решение этой проблемы стало возможно после соз¬
дания дополнительного оборудования минимальной сто¬
имости, т. е. с развитием технологии микроэлектроники.
Декодер — основной элемент телевизионной при¬
ставки — был разработан несколькими фирмами. Он реа¬
лизован на четырех микросхемах широкого применения:
таймер, процессор видеосигнала, схема слежения и уп¬
равления и формирователь символов телетекста на ПЗУ.
Контроллер на базе инфракрасной техники содержит
две интегральные схемы (одна — в передатчике, дру¬
гая — в приемнике). Он позволяет формировать 32 ко¬
манды, включающие все множество стандартных команд
телетекста, команды выбора номера ТВ-канала и настрой¬
ки телевизора, характерные для обычного устройства
дистанционного управления. Основу передатчика состав¬
ляет лишь одна интегральная схема. Ручной пульт
имеет батарейное питание, содержит клавиатуру и схему
автоматического включения, позволяющую держать кон¬
троллер в постоянной готовности при очень малом
потреблении тока, пока не нажата кнопка.
Для установки ширины передаваемого импульса
(обычно порядка 5 мкс) используются другие компонен¬
ты, а запускающий транзистор обеспечивает управление
светодиодами. Когда кнопка находится в ненажатом
состоянии, передается короткая псевдослучайная двоич¬
ная последовательность, за которой следует 7-разрядная
стартовая кодовая комбинация и 5-разрядное сообщение.
Затем следует повторение этой 12-разрядной посылки,
но приемник не реагирует до тех пор, пока не будут
получены и проверены все 24 разряда. Кремниевый
95

фотодиод, перед которым стоит инфракрасный фильтр,
принимает соответствующий сигнал, который декодирует
и корректирует ошибки. Полученные командные сигналы
реализуют ряд управляющих функций. Четыре анало¬
говых выхода формируют управляющий сигнал, принима¬
ющий значения, близкие к одному из 62 уровней, ко¬
торый обеспечивает изменение громкости, яркости,
цветонасыщенности и контрастности. Отдельный выход
нужен для выключения звукового сопровождения для
обзора программы телетекста. Кнопки «clear» (обнулить)
и «step» (шаг) используются для управления селектором
каналов телевизора. Когда требуется выбрать новый ка¬
нал, то нажатием кнопки «clear» вызывается формиро¬
вание импульса, устанавливающего селектор в положе¬
ние 1. Затем последовательно в счетчик приращений
селектора посылаются сигналы, позволяющие перевести
его в состояние, соответствующее номеру выбранного
канала. Два дополнительных выхода применяются для уп¬
равления светодиодами. Один из них показывает,
что команда, набранная на дистанционном пульте управ¬
ления, еще не выполнена, а другой начинает светиться,
когда верная команда принята. Последняя функция весь¬
ма полезна, так как отслеживание требуемой страни¬
цы телетекста занимает довольно продолжительное
время и пользователь может быть в неведении
относительно приема его команды декодером теле¬
текста.
Потребитель, интересующийся телетекстом, стоит пе¬
ред выбором: добавить адаптер к имеющемуся у него
телевизору или купить (или взять напрокат) телепри¬
емник со встроенным декодером. Последний вариант
предпочтительнее, так как такой телевизор спроек¬
тирован с учетом оптимального воспроизведения теле¬
программ и отображения телетекстовой информации.
Обычные же телеприемники, не предназначенные для
телетекста, имеют хорошие характеристики для теле¬
видения, но критичны к телетексту. Здесь весьма важно
качество усилителя промежуточной частоты (ПЧ), ампли¬
тудно-частотная характеристика и характеристики группо¬
вой задержки которого должны быть равномерны вплоть
до частоты, соответствующей половине скорости следо¬
вания символов телетекста. Системы автоматической
регулировки усиления, влияющие на форму частотной
характеристики фильтра ПЧ, должны быть исключены
96

при приеме данных, так как они изменяют амплитуду
и форму импульсной последовательности.
Простейшие диодные видеодетекторы, используемые
в телевизорах старого выпуска и все еще применяемые
в дешевых моделях телевизоров, вводят нелинейные
искажения, существенно снижают возможности декодера
и изменяют симметрию сигнала. Неточно настроенный
гетеродин также больше влияет на качество приема
телетекстовой информации, чем на телевизионное изоб¬
ражение. То же относится и к системе автоматической
подстройки частоты. Сигнал телетекста претерпева¬
ет большие искажения в адаптере перед поступлением
на видеоусилитель, чем при его обработке специаль¬
ным встроенным приемником в телевизоре.
Внешний адаптер, как и встроенное устройство, выпол¬
няет также операции по обработке, декодированию и ге¬
нерации видеосигнала данных, но вместо непосредствен¬
ного поступления на видеоусилитель телевизора сигнал
телетекста с выхода адаптера должен предварительно
быть представлен в форме стандартного ТВ-сигнала, а за¬
тем продетектирован. Это дополнительное оборудование
делает адаптер дороже, но все же он значительно
дешевле нового телевизора.
В отличие от телетекста термин «видеотекс» озна¬
чает среду для передачи текстовой и графической ин¬
формации, представления ее в цветном изображении
и обеспечение интерактивного режима работы системы.
Последнее означает двусторонний обмен данными между
пользователем и базой данных. В системе «видео¬
текс» пользователь может набрать номер желаемой
страницы и через свой терминал передать его по ка¬
белю в центральный компьютер, который отбирает тре¬
буемую информацию и посылает ее пользователю.
В силу своей интерактивной природы видеоданные
не могут быть переданы в режиме широкого вещания.
Вместо этого информация посылается обычно через
телефонную сеть. Малая скорость передачи данных в
такой сети не является существенным фактором, влияю¬
щим на характеристики системы, так как здесь страни¬
цы не передаются циклически и в отличие от те¬
летекста в этой сети нет потери времени на ожидание
требуемой информации.
Интерактивные возможности системы видеотекса
обеспечивают целый ряд дополнительных преимуществ.
7 Заказ 11730
97

Так как нужные страницы посылаются только по тре¬
бованию, то число страниц в базе данных этой системы
ограничено только ресурсами центрального компьютера,
т. е. практически не ограничено. В телетексте каждая до¬
полнительная страница увеличивает длительность цик¬
ла, а значит, и время передачи, причем информация,
доставляемая этой системой, в целом представляет ин¬
терес для широкого круга пользователей (она анало¬
гична сведениям в газете). В системе «видеотекс»
информация носит более специальный характер (анало¬
гом здесь может служить журнал). Интерактивные воз¬
можности этой системы проявляются в том, что поль¬
зователь может передать компьютеру более полные
сведения, чем только номер страницы. Так, например,
пользователь может забронировать номер в гостинице,
сделать запрос на почтовый перевод по информации
о продаваемых товарах, сделать покупки и заплатить за
них, играть с машиной через свою клавиатуру.
Уже при разработке проекта системы Prestel (так на¬
зывается система видеотекса в Великобритании) было
осознано, что телеприемник, ориентированный на работу
в системах телетекста и видеотекса, должен быть недо¬
рогим, если предполагается широкий круг пользователей.
Поэтому конструкторы этих систем сразу стали мак¬
симально использовать имеющуюся между ними общ¬
ность, что позволяло совместить функции интеграль¬
ных схем, реализующих декодирование и отображение
информации, а также применить одинаковые методы ко¬
дирования символов и их форматы. Но это привело
к некоторому удорожанию системы «видеотекс».
Поскольку в телетексте объем информации ограничивает¬
ся временем доступа, то на этапе проектирования было
принято решение снизить разрешающую способность
графических изображений и текста. Более высокая чет¬
кость требует существенного увеличения времени пере¬
дачи страницы, а значит, приведет к уменьшению и так
уже относительно небольшого числа страниц, которые
содержатся в одном цикле. В системе «видеотекс»
таких ограничений практически нет, так как информация
посылается в ответ на запрос пользователя. Тем не менее
с позиций временных затрат плата за это весьма мала
по сравнению с экономическими достоинствами исполь¬
зования указанной общности двух систем.
В службе видеотекса, так же как и в службе
98

телетекста, пользователь вводит номер желаемой стра¬
ницы с помощью клавиатуры, Но так как система
видеотекса ведет передачу по телефонной сети, то
между терминалом пользователя и центральным ком¬
пьютером предварительно должно быть установлено сое¬
динение. Каждый порт ввода / вывода компьютера анало¬
гично телефонному аппарату имеет свой номер, который
пользователь должен набрать на пульте своего терми-г
нала, причем большинство терминалов производят такой
вызов автоматически. После установления соединения
должен быть включен переключатель (в тех терми¬
налах, где нет автоматического вызова), который обеспе¬
чивает подключение модема к телефонной линии. Зада¬
ча модема заключается в реализации интерфейса между
цифровой логической частью терминала или компью¬
тера и аналоговой линией. Когда такое подключение
произошло, на экране телевизора появляется «привет¬
ствие», переданное ЭВМ. После этого пользователь
набирает на клавиатуре номер желаемой страницы.
Как и в системе телетекста, каждый передаваемый
символ состоит из семи информационных двоичных
разрядов и одного проверочного. В модеме производится
добавление к каждому кодовому слову стартового и
стопового бита для обеспечения асинхронной передачи
данных. Хотя это и снижает скорость передачи, но позво¬
ляет использовать для связи самые распространенные
модемы. Скорость передачи данных при этом составляет
75 бит / с, что значительно превышает скорость ручного
ввода с помощью клавиатуры. Модем, стоящий на сторо¬
не компьютера, обеспечивает передачу информации со
скоростью 1200 бит/с. Эти скорости значительно меньше
скорости передачи данных в системе телетекста, но сле¬
дует помнить, что доступ к любой требуемой странице
видеоданных практически мгновенен, так как инфор¬
мация начинает поступать сразу после набора номера
страницы и время ожидания определяется временем пе¬
редачи соответствующей информации. Полная страница
состоит из 960 10-разрядных символов. Поэтому мак¬
симальное время ее передачи будет равно 8 с. От¬
дельные строки могут отображаться на экране по мере
их получения, и тогда само изображение будет стро¬
иться быстрее, чем человек может его прочесть, г, е.
любые задержки такого рода не оказывают влияния на
восприятие информации.
7*
99

Модемы в системе видеотекса строятся на основе
частотной модуляции (ЧМ), в соответствии с которой
каждый бит определяется своей звуковой частотой. В мо¬
мент паузы терминал непрерывно передает тональный
сигнал с частотой 390 Гц, а система, в свою оче¬
редь,— несущую с частотой 1300 Гц. Эти гармони¬
ческие сигналы на разных концах детектируются мо¬
демами с целью непрерывной проверки линии связи. При
передаче данных несущее колебание модулируется по
частоте символами «1» и «0», причем в канале «тер¬
минал — компьютер» «единице» и «нулю» соответствуют
частоты 390 и 450 Гц, а в канале «компьютер — тер¬
минал» -—1300 и 2100 Гц. Дуплексная связь обеспечи¬
вает двусторонний обмен без взаимных помех. Символы,
набранные на клавиатуре терминала, передаются в ком¬
пьютер перед их отображением на экране. При при¬
еме они поступают в модем терминала, который пере¬
дает их на экран, если они согласуются с выходным
символом. Это позволяет в определенной степени кон¬
тролировать ошибки и гарантировать пользователю пра¬
вильную работу системы. Отображаемая информация за¬
щищается корректирующим кодом Хэмминга или ана¬
логичными кодами с проверкой на четность. Ошибки в
рассматриваемой системе весьма редки ввиду малой ско¬
рости передачи данных.
Формат изображения и метод адресации строк точно
такие, как и в телетексте. Правильный прием сигнала
видеоданных требует, естественно, адресации только
строк и не нуждается в выделении сигналов, соответ¬
ствующих какой-либо другой адресации. Все кодовые
комбинации, отображающие графические и текстовые
символы, аналогичны для указанных систем, но в службе
видеоданных используется отдельный набор управляю¬
щих символов для реализации различных режимов
представления информации. При этом на экране теле¬
визора размещается специальный символ — «курсор» в
виде ярко светящегося квадратика, который занимает
площадь одного символа и указывает позицию следую¬
щего передаваемого компьютером или набираемого
пользователем символа. По команде с терминала или уп¬
равляющими символами, формируемыми компьютером,
курсор может перемещаться по экрану, светиться более
ярко или гаснуть, причем счетчик отслеживает положение
курсора в любой момент времени независимо от нали¬
100

чия его изображения на экране. Указанные управля¬
ющие символы могут изменять положение курсора для
исключения пустых строк на изображении. Это позво¬
ляет не полностью заполненные страницы передавать
быстрее по сравнению с полными 960-символьными. Кур¬
сор также применяется пользователем описываемой си¬
стемы для вызова различной информации при диало¬
ге с компьютером с помощью клавиатуры, а не просто
передачи номера страницы. Курсор указывает положение
следующего символа, набираемого на терминале, кото¬
рый должен появиться на экране. Поэтому пользо¬
ватель может составлять и редактировать свое сообщение
с помощью курсора.
Важным элементом системы видеотекса является
использование существующей коммутируемой телефон¬
ной сети. Поскольку стоимость соединения в ней за¬
висит от расстояния, то пользователи заинтересованы в
том, чтобы компьютеры системы располагались макси¬
мально близко к ним. Поэтому система Prestel базиру¬
ется на распределенной сети ЭВМ. Местные компьютеры
сгруппированы и находятся под управлением реги¬
ональных центров, где в страницы формируется «реги¬
ональная» информация. Последние, в свою очередь, под¬
ключены к национальному вычислительному центру, где
создается большая часть информации. «Региональная»
информация может посылаться в национальный центр для
последующего распределения, и каждый местный ком¬
пьютер накапливает всю национальную, а также локаль¬
ную информацию. Поэтому связь с любой ЭВМ обес¬
печивает пользователю доступ к полной базе данных.
Служба «видеотекс», располагая практически не¬
ограниченной базой данных, имеет огромные возмож¬
ности как учрежденческая система, которая может
использоваться предприятиями любого типа и масштаба.
Самые разные применения диктуют необходимость раз¬
работки нескольких видов терминалов. Здесь, как и в теле¬
тексте, требуются внешние адаптеры к обычным
телевизорам, а также к телевизорам с дистанционным
управлением и встроенными декодерами видеоданных.
Для деловых приложений были спроектированы специ¬
альные терминалы консольного типа, аналогичные дис¬
плею компьютеризованного терминала и предназначен¬
ные для работы пользователя вблизи него. Дистанцион¬
ное управление здесь необязательно, и поэтому клавиа¬
101

тура составляет часть терминала. Интерактивный характер
службы видеоданных часто требует посылки пользовате¬
лем сообщений в алфавитно-цифровой форме. Напри¬
мер, пользователь при бронировании места в
гостинице должен вводить свой адрес. Для того чтобы
эти возможности эксплуатировать эффективно, в терми¬
нале должна быть полная алфавитно-цифровая клавиату¬
ра. Это значительно увеличивает его стоимость, и поэто¬
му полная клавиатура применяется лишь в специальных
случаях для набора «сложных» сообщений. Большая часть
терминалов системы видеотекса для установления сое¬
динения с ЭВМ требует нажатия лишь одной клавиши,
исключая ручной набор номера местного компьютера
и переключение на модем.
Ряд производителей сконструировали комбинирован¬
ные декодеры, пригодные для телетекста и видео¬
текса. Так, разработка фирмы Mullard, первоначально
ориентированная на телетекст, требует для работы в
условиях системы видеотекса дополнительного включе¬
ния схемы слежения и блока совмещения строк. Основ¬
ная функция указанной схемы состоит в записи сиг¬
нала видеотекса в память под управлением микро¬
процессора, имеющего оперативное ЗУ емкостью 1 кбайт
и внешнее ПЗУ объемом 2 кбайт. Для работы этого
декодера в любой будущей модификации системы ви¬
деотекса достаточно простой замены ПЗУ.
Служба видеотекса Prestel функционирует круглосу¬
точно и доступна географически распределенным поль¬
зователям. Ее развитие шло гораздо меньшими темпа¬
ми, чем службы телетекста, в первую очередь из-за
больших капиталовложений. Подключение к Prestel новой
группы пользователей требует создания региональной се¬
ти ЭВМ на основе телефонной связи. В 1981 г. для
60% абонентов телефонной сети Великобритании был
обеспечен доступ к местным ЭВМ системы Prestel, но в
силу концентрации большей части населения в больших
городах и промышленных областях на самом деле этот
процент еще выше. В настоящее время база данных
системы Prestel хранит информацию объемом 250 000
страниц, из которых более 200 000 страниц уже обес¬
печено контрактами, причем свыше 150 000 страниц из
этой части доступно пользователям.
Служба Prestel имеет в своем распоряжении такой
большой диапазон разнообразных сведений, что единст¬
102

венным путем для оценки объема информационного
хранилища является ссылка на ее справочник, где
сосредоточены понятия от «А» до «Я». Здесь имеются
расписания всех железных дорог и авиалиний, которые
своевременно корректируются; цены на все продаваемые
товары; финансовые отчеты различных предприятий и ор¬
ганизаций; сведения о различных обществах, включая ин¬
тересующие их вопросы; разнообразная статистическая
информация от записей мировых рекордов до метриче¬
ских сведений; подробные данные о специальных пред¬
метах и т. п. Наиболее интересными страницами
Prestel являются те, которые полностью используют ее
интерактивные способности. Термином «страница с отве¬
том» обозначают те страницы, которые требуют реакции
со стороны пользователя. Используя свою кредитную
карточку, последний может заказать разнообразные то¬
вары, набирая соответствующий номер на клавиатуре
терминала и номер своей карточки.
Любая литература может быть запрошена вводом
имени и адреса пользователя. Компьютер системы Prestel
хранит запрос до удовлетворения пользователя требуе¬
мой информацией и передачи запроса ее поставщику.
С помощью системы можно развлечься игрой с последо¬
вательным чередованием ходов.
Информация предоставляется за плату, и пользователь
должен указать, к каким страницам он хочет иметь
доступ. Владелец терминала может установить свой соб¬
ственный пароль для предотвращения несанкциониро¬
ванного использования терминала, причем пароль в лю¬
бое время может быть изменен в соответствии с
указаниями, помещаемыми на специальной странице
паролей. Многие поставщики информации желают огра¬
ничить круг пользователей только избранной группой.
Prestel предоставляет такую возможность путем доступа
к некоторым страницам только «замкнутой группы
пользователей», каждый из которых должен иметь свой
идентификатор. В этом случае дополнительно может быть
задействован пароль, обеспечивающий вместе с иденти¬
фикатором ограничение доступа к терминалу, пользо¬
вателю или тому и другому.
Важно отметить, что все основные производители
телевизионных приемников в Великобритании выпускают
аппаратуру для телетекста и видеотекса и крупные ком¬
пании по производству микроэлектронных приборов
103

Микроэлектроника для обучения. Игрушка «Говори и произ¬
носи по буквам» ориентирована на обучение детей в воз¬
расте семи лет и позволяет в устной форме задавать вопрос, а
затем также в устной форме отвечать на него. Про¬
цесс обучения базируется на естественном интересе детей к
разложению слова на слоги и буквы и произношению их в отдель¬
ности. В памяти компьютеризованной игрушки хранится 240
вопросов по составу слова четырех уровней трудности. Путем за¬
мены модулей можно увеличить словарь.
участвуют в программах развития для этих систем новых
кремниевых интегральных схем с улучшенными харак¬
теристиками. В настоящее время мы достигли такого
положения в эволюции телевизора, когда домашний при¬
емник может предоставить нам разнообразные новые ус¬
луги путем подключения к системам телетекста и видео¬
данных. Телевидение, таким образом, формирует интег¬
рированный домашний терминал. Он может взять на
себя многие функции по ведению домашнего хозяйства,
такие, например, как управление отоплением и вентиля¬
цией. Точно так же может быть организовано управле¬
ние расходом топлива, как, впрочем, и использование
интегрированного терминала в воспитательных целях,
для обработки информации, развлечения, связи, управ¬
ления домом, обеспечения безопасности, оплаты товаров.
Направления развития домашнего телевизионного при¬
емника говорят о том, что он становится основным
104

потребительским изделием на основе микроэлектроники,
особенно в ближайшем будущем.
Микроэлектроника создала огромный рынок потреби¬
тельских товаров в области интеллектуальных развле¬
чений, игр и обучения. Так, уже появились изделия,
которые называются «Маленький профессор» и «Чело¬
век-информация»; новые калькуляторы, с помощью
которых происходит обучение детей математике; игруш¬
ка «Говори и произноси по буквам», построенная на осно¬
ве речевого синтезатора, помогает обучить малышей раз¬
делить слова на буквы. «Говорящие» товары считаются
новой областью потребительского рынка, и для них
промышленность уже разработала схемы синтеза речи.
Генерация речи на базе ЗУ, хранящих в цифровой
форме речевые сигналы и представляющих собой новое
поколение записывающей аппаратуры, вместо магнитофо¬
нов, требует очень большого расхода емкости памяти.
Так, например, запись трехминутного речевого высказы¬
вания с использованием импульсно-кодовой модуляции
(ИКМ), требует около 13 Мбит (цифровой) памяти. Ме¬
тоды синтеза речи представляют собой альтернативу
прямым методам кодирования речевого сигнала. Они ба¬
зируются на математической модели речеобразования,
в соответствии с которой гласные звуки, такие, как «а» и
«е», формируются путем подачи от источника периоди¬
ческих колебаний сигнала на фильтр, моделирующий го¬
лосовой тракт человека. Различие между подходами к
синтезу речи состоит в используемых моделях голосового
тракта.
Методы синтеза, известные как «кодирование на осно¬
ве линейного предсказания», базируются на фильтре
с переменными параметрами. Именно они используются
в игрушке «Говори и произноси по буквам», на разра¬
ботку которой были наложены некоторые ограничения.
С одной стороны, требовалось создать массовую деше¬
вую игрушку, а с другой — необходимо было высокое ка¬
чество синтезируемой речи, чтобы она позволяла обу¬
чать детей фонетике и языку. В соответствии с методом
линейного предсказания каждый отсчет речевого сигнала
предсказывается по своим прошлым отсчетам, а затем
выходной сигнал цифрового фильтра преобразуется
в аналоговую форму цифроаналоговым преобразова¬
телем. Одно из привлекательных свойств этого ме¬
тода — достаточно естественное звучание синтезирован¬
105

ной речи. Обработка сигнала для реализации процесса
синтеза такой игрушки весьма сложна даже при
ограничении на объем словаря до 200 слов. В ней при¬
меняются четыре специальные интегральные схемы: син¬
тезатор речи, содержащий генераторы источников звуков
и цифровой фильтр; два ПЗУ, в которых хранятся ко¬
эффициенты фильтров для каждого звука; контроллер.
Словарь игрушки можно заменить, используя модули
памяти с требуемыми записями параметров речевых
сигналов. Исходные параметры (частота основного тона и
коэффициенты фильтра) выделяются путем обработки
высококачественно записанной речи на мини-компьюте¬
ре. Затем каждый параметр кодируется и записыва¬
ется в ЗУ, при этом каждая секунда речи требует
1133 бит.
Второй метод кодирования речи, называемый фор¬
мантным синтезом, позволяет восстанавливать речевые
сигналы на основе информации об изменении во
времени резонансных частот голосового тракта и энерге¬
тических уровней. Здесь требуется меньший объем памя¬
ти для хранения речи, так как ее спектральные пара¬
метры меняются относительно медленно. Чип формантно¬
го вокодера также содержит два источника сигналов —
генератор с переменной частотой для моделирования
колебаний голосовых связок и генератор шума. Выход¬
ные сигналы этих генераторов затем преобразуются
гребенчатым полосовым фильтром, который моделирует
работу голосового тракта.
Наиболее эффективным с точки зрения экономии ем¬
кости ЗУ является фонемный синтез, в соответствии
с которым процесс генерации искусственной речи управ¬
ляется параметрами, определяемыми отдельными зву¬
ками — фонемами.
Микросхемы для синтеза речи, помимо их использо¬
вания для учебных целей, могут применяться также
в других товарах повышенного спроса, например в
«говорящей» СВЧ-печи, которая может сообщить в рече¬
вой форме способ приготовления какого-либо специфи¬
ческого блюда. В качестве других примеров можно
привести «говорящие» шахматы или другие игры, «го¬
ворящую» систему диагностики неисправностей в автомо¬
биле и т. п. Расширение рынка таких приборов
создаст предпосылки для широкого внедрения синте¬
заторов речи в разнообразную аппаратуру. По мере по¬
106

вышения требований к синтезаторам будут создаваться
все более сложные методы анализа речевых сигналов,
которые найдут применение не только в синтезаторах,
но и в системах распознавания речевых команд. Но¬
вые разработки в этой области будут способствовать
появлению рынка новых товаров, от телефонов с
речевым набором номера до бытовых приборов с ре¬
чевым управлением.
Со встроенными интегральными схемами выпуска¬
ются такие товары, как кухонные плиты, стиральные
и посудомоечные машины, швейные машины, значи¬
тельно облегчающие труд домашней хозяйки. С появ¬
лением широкого ассортимента тканей, вариантов
домашней отделки платья и обработки одежды, а также
разнообразных рекомендаций по стирке сама процедура
стирки усложняется. К счастью, теперь разработаны меж¬
дународные стандарты, учитывающие всевозможные ре¬
комендации. На их основе создан комплекс программ
для контроллеров, встроенных в стиральные машины,
которые учитывают такие условия обработки, как
температура, время, режим перемешивания, уровень
воды на различных стадиях стирки.
Для управления современными бытовыми приборами
применяются разнообразные интегральные схемы, в чис¬
ле которых главную роль играет микропроцессор. Са¬
мые разные функции любой управляемой машины
хранятся в памяти ПЗУ, поэтому можно исполь¬
зовать только один контроллер для одновременного
управления множеством машин (обогреватели, кондици¬
онеры, кухонные плиты, посудомоечные и стиральные
машины и др.). С целью повышения безопасности в
контроллер на базе микропроцессора можно вводить
блокировки, такие, например, как запирание крышки сти¬
ральной машины во время ее работы или когда уровень
воды в ней достаточно высок. Содержимое памяти кон¬
троллера стиральной машины делится на девять секций,
каждая из которых управляет своей программой
стирки. Данные из ЗУ выбираются под управлением
счетчика, который через каждые 20 позиций опреде¬
ляет программируемый шаг в цикле стирки. Отсчет сле¬
дующей позиции начинается, когда полностью завершен
соответствующий шаг, например, когда достигнут желае¬
мый уровень воды, или когда получена требуемая
ее температура, или когда отведенное для этого шага
107

Швейная машинка с электронным управлением. Путем вклю¬
чения в состав обычной швейной машины микропроцессора,
управляющего временем и последовательностью операций, ста¬
ло просто разнообразить форму отделки платья, выбирая любую
из 27 функций. Для этого следует только дотронуться до требуе¬
мых клавиш на иллюминированной цифровой панели управления
машинки. Применение микропроцессора дало возможность ис¬
ключить примерно 350 электромеханических деталей и сделать
машинку более компактной, надежной и ремонтопригодной.
время закончилось. Ориентированный на удобство
для пользователя «интеллект» новых бытовых машин,
который в будущем сможет выполнять более сложное
управление и отображать состояние машины на ее пане¬
ли, несомненно, приведет к повсеместному применению
подобных микропроцессорных контроллеров.
Применение микроэлектроники в автомобилях имеет
два направления. Первое связано с управлением двига¬
телем, цель которого состоит в повышении его эксплу¬
атационных характеристик, уменьшении расхода топлива,
продлении срока его службы. Второе — с предоставле¬
нием водителю разнообразной информации и отображе¬
нием ее на дисплее, а также с появлением систем
повышения безопасности и предупреждения, что значи¬
тельно повышает интерес покупателей к таким автомо¬
билям.
108

Микропроцессорное управление работой двигателя
привлекает особое внимание в Соединенных Штатах,
где предъявляются жесткие требования к уровню
загрязнения окружающей среды, а также требования
по экономии топливных ресурсов. Они не могут быть
удовлетворены путем применения механических систем
управления, и производители автомобилей уделяют боль¬
шое внимание разработке микроэлектронных приборов
для удовлетворения новых стандартов.
Наиболее сложная микропроцессорная система уп¬
равления второго поколения ЕЕС-2 в настоящее время
разработана фирмой Ford. В отличие от более ранней
модели ЕЕС-1, которая могла только регулировать
момент зажигания и рециркуляцию выхлопных газов,
новая система, базирующаяся на 12-разрядном микро¬
процессоре, дополнительно обеспечивает управление
топливной смесью на основе электронного регулирования
карбюратором. Исходными данными при этом служат
степень сжатия, температура двигателя, положение ко¬
ленчатого вала и содержание выхлопных газов. В ПЗУ си¬
стемы хранится информация о модели идеального дви¬
гателя, с которой постоянно сравниваются характеристики
реального двигателя. Эта информация относится к опти¬
мальной топливной смеси, зажиганию и скорости
рециркуляции выхлопных газов. Микропроцессор, распо¬
лагая данными о таких основных параметрах, как
степень сжатия и скорость вращения коленчатого вала,
выбирает оптимальный момент зажигания, отношение
объема воздуха к объему топлива и рециркуляцию
газа по информации в указанных массивах. Команды
микропроцессора затем подаются на набор усилителей
и модуляторов, которые изменяют состояние двига¬
теля с помощью исполнительных органов. Так, например,
управление карбюратором осуществляется через шаго¬
вый двигатель, который подстраивает уровень топливной
смеси.
Управление зажиганием, смесью и рециркуляцией
выхлопных газов осуществляется одной интегральной
схемой. Для определения оптимального момента зажига¬
ния нужна информация о положении поршня и ско¬
рости вращения коленчатого вала. Контроллер анализиру¬
ет эти данные и выбирает по ним из хранимых
в памяти информационных массивов требуемый момент
зажигания. Можно, однако, при формировании управля¬
109

ющего воздействия учесть скорость движения авто¬
мобиля, чтобы минимизировать еще расход топлива
путем, например, отключения некоторых цилиндров.
Модуль калибровки в системе ЕЕС-2 позволяет подстра¬
ивать контроллер под любую модель автомобиля, ха¬
рактеристики которых, такие, как отношение мощности
к массе, объем двигателя и параметры коробки передач,
могут изменяться в широких пределах.
Помимо управления двигателем, микропроцессор
можно использовать в автомобиле также и для решения
других задач, таких, как автоматический выбор
канала радиоприемника и предоставление большего
объема информации на передней панели. В качестве
примера можно привести компьютер для путешествий,
который вычисляет для водителя среднюю скорость и
расход топлива, оценивает время прибытия в пункт
назначения, указывает время. Применение микропроцес¬
соров в автомобиле предполагает в будущем создание
распределенной микропроцессорной системы, где один
микропроцессор управляет работой двигателя, другой —
отображением информации на дисплее, третий — наст¬
ройкой радиоприемника, управлением коробкой передач
и диагностикой двигателя. Распределенная система долж¬
на характеризоваться большой надежностью, так как если
один микропроцессор выйдет из строя, то это не
должно повлиять на работу других. Все это удобнее,
чем протягивать провода для подвода сигналов к од¬
ному микропроцессору, осуществляющему централизо¬
ванное управление. Можно по отдельности покупать
различные элементы микропроцессорной системы, что
удобно для покупателя.
Одно из наглядных приложений микроэлектроники в
автомобиле связано с повышением уровня безопасности
движения. В качестве примера можно указать приме¬
нение компьютеров для исключения пробуксовки, при
этом изменяется давление в тормозной системе, чем
обеспечивается надежное сцепление каждого колеса с
дорожным покрытием, и включаются тормозные фонари.

Microprocessors
in Industrial
Process Control
Микропроцессоры
в системах управления
технологическими
процессами
Эффективное производство, которое может быть оп¬
ределено как «быстрое и экономически выгодное изго¬
товление изделий требуемого качества и стоимости», уп¬
рощенно представляет собой последовательность опера¬
ций по преобразованию сырья в конечный продукт.
Помимо этого, весьма важны многие функции, связанные
с управлением технологическими процессами, включая
как непосредственное управление машинами, так и
контроль снабжения, которые являются ключевыми в
производственном цикле.
Микроэлектроника играет все возрастающую роль во
многих областях промышленности. Так, например, в таких
операциях, как формовка, роботы со встроенными микро¬
электронными устройствами могут выполнять монотон¬
ную, а иногда и опасную для человека работу (сварка,
распыление). Микроэлектронные контроллеры могут с
высокой точностью осуществлять управление машинами,
а станки с числовым программным управлением спо¬
собны выполнять любые повторяющиеся операции.
Микроэлектроника играет также важную роль в работах
на сборочных линиях.
Помимо указанных операций, непосредственно свя¬
занных с производственным процессом, микрокомпью¬
теры можно использовать также во вспомогательных
операциях, где они предотвращают нарушения нормаль¬
ных условий работы машин и выполняют какое-либо
их обслуживание, а также реализуют учет сырья и
материалов для обеспечения своевременного снабжения
ими. Микрокомпьютеры находят также применение в
R. D. L. MACKIE. Microprocessors in Industrial Process Control.
Ill
системах технического контроля, где они позволяют про¬
водить более точные измерения и автоматически анали¬
зировать результаты проверки изделий.
Компьютеры могут взять на себя функции по под¬
счету продукции, сбыту и распределению, управлению
энергетическими ресурсами и производством в це¬
лом, повышая его эффективность. Отсюда следует, что
существуют большие возможности по применению
микропроцессоров на всех уровнях управления про¬
мышленными предприятиями.
Термин «микропроцессор» будет часто использовать¬
ся в этой главе, а потому следует сказать об основных
особенностях микропроцессоров, особо подчеркнув те
его черты, которые важны для управления технологи¬
ческими процессами. Микропроцессор представляет со¬
бой устройство, непрерывно выполняющее последова¬
тельность элементарных команд. При этом производится
выбор инструкции, подлежащей исполнению, затем ее
исполнение, а потом выбор следующей команды и т. д.
Значит, микропроцессор — это элемент системы авто¬
матизированного управления технологическими процес¬
сами, где производится длинная серия последователь¬
ных операций.
Так называемая революция в микроэлектронике — это
не революция идей, а скорее эволюция новых компо¬
нентов для реализации известных концепций, но в более
компактной форме и значительно более дешевых.
Микрокомпьютеры выполняют те же задачи, которые
ранее возлагались на мини-ЭВМ, созданные в 60-х и
70-х годах. В последнее время разработаны также
микропроцессоры для обработки аналоговых сигналов,
которые характеризуются новой архитектурой и системой
команд, основанных на методах специализированной
цифровой обработки. В настоящее время все выпуска¬
емые микропроцессоры характеризуются идентичной ар¬
хитектурой и вычислительными ресурсами, хотя, конечно,
среди них имеются устройства с очень высокой произ¬
водительностью. Практически все микропроцессоры
имеют одинаковый набор команд и интерфейс для
подключения к различному оборудованию. Основное их
применение — обработка данных.
Выпуск в широких масштабах недорогих электронных
компонентов, обеспечивающих пользователю доступ к
вычислительной мощности по небольшой цене, приводит
112

Система управления на базе одной ЭВМ. Когда только
одна вычислительная машина применяется для управления всем
технологическим процессом или предприятием, то ей одновре¬
менно приходится решать несколько задач. В их число входит
сбор информации от многих датчиков различных типов, преобра¬
зование выдаваемых ими сигналов в цифровую форму для после¬
дующей обработки, коррекция искажений, таких, как нелиней¬
ность и задержка, и собственно обработка данных. В такой систе¬
ме указанные операции могут требовать очень больших расходов
процессорного времени, что существенно замедляет реакцию
системы при выполнении ею управляющих функций
к появлению систем, в основе которых лежат не аппа¬
ратные средства, а программируемая логика. Действи¬
тельно, там, где необходимо проводить вычисления,
экономически целесообразно применять микропроцес¬
соры независимо от типа задачи. Введение микро¬
процессоров или однокристальных микро-ЭВМ в массо¬
вое производство приведет к увеличению выпуска то¬
варов, уменьшению их стоимости и в определенной
мере обеспечит автоматический контроль их качества.
Это, в свою очередь, вызовет их повсеместное приме¬
нение для различных целей.
8 Заказ 11730
113

Другая область применения микромашин связана с ав¬
томатизацией в целом или по частям производственных
линий. Здесь низкая стоимость микроэлектронных при¬
боров практически не влияет на общую стоимость систе¬
мы в целом. Основное влияние оказывают трудовые
и временные затраты на программирование и проекти¬
рование системы управления. Именно в этом аспекте
должны рассматриваться задачи создания АСУ ТП.
Многие годы для решения задач управления техно¬
логическими процессами использовались мини-ЭВМ. Их
относительно высокая стоимость диктовала необходи¬
мость максимальной загрузки. Для этой цели к мини-ЭВМ
подключалось большое число датчиков, контроллеров
и исполнительных органов. При этом большая часть
процессорного времени уходила на сбор информации,
ее масштабирование и коррекцию показаний измери¬
тельных преобразователей. Необходимость выполнения
всех этих операций увеличивала время реакции системы
и приводила к разработке сложного программного
обеспечения, которое было трудно модифицировать. В
этом случае в системе управления предприятием в
целом на верхнем уровне иерархии приходилось исполь¬
зовать большую ЭВМ, которая управляла работой мини¬
компьютеров. Однако ниже уровня «мини» не было ника¬
ких вычислительных средств, кроме датчиков, исполни¬
тельных органов и электронных устройств сопряжения
различного оборудования.
Появление в широких масштабах микропроцессоров
привело к использованию вычислительной техники и на
самом нижнем уровне иерархии систем управления
технологическими процессами. Теперь измерительные
преобразователи, включающие датчик и микропроцес¬
сор, передают по требованию управляющей ЭВМ скор¬
ректированную и масштабированную информацию в циф¬
ровой форме, что значительно разгружает ее от предва¬
рительной обработки исходных данных. Точно так же ис¬
полнительные органы преобразуют команды ЭВМ в
управляющие сигналы, учитывающие любые ограничения,
предъявляемые рабочими органами.
Повышение надежности и информативности потоков
данных, циркулирующих на предприятии, может быть
достигнуто путем включения средств обработки в
приемно-передающие станции. Одна пара проводов, сое¬
диняющая все источники и получатели информации, мо-
114

Распределенная система обработки данных. В том случае, когда
средства обработки распределены по производству во всех тех
местах, где требуется обработка данных, центральный контроллер при
необходимости проводит дополнительную обработку сигналов датчиков
и выдает управляющие воздействия на исполнительные органы. Ско¬
рость реакции системы управления в этом случае повышается, а ее пост¬
роение становится более простым в силу разделения на небольшие
автономные блоки
жет обеспечить любой информационный обмен между
ними. По этой линии связи ЭВМ верхнего уровня
управления производством может передавать команды
непосредственно в контроллер нижнего уровня. Такие
управляющие воздействия могут иметь форму простых
инструкций или же сложных команд по изменению прог¬
раммного обеспечения контроллера, что позволяет
быстро производить смену функций элементов техно¬
логической линии. Особенно важно повышение гибкости
для предприятий мелкосерийного производства. Следует
отметить, что в такой локальной информационно-вы¬
числительной среде реализуется надежная передача дан¬
ных, к качеству которых предъявляются повышенные
требования. Достоинством описываемой распределенной
вычислительной системы является разделение функцио¬
нальных задач по управлению, что приводит к большей
структуризации программного обеспечения системы, а
8
115

Измерительный преобразователь с микропроцессором (быстродей¬
ствующий преобразователь). При объединении микропроцессора с дат-
чикола его выходной сигнал в цифровой форме сравнивается со входным
сигналом управляющего центрального компьютера. При этом цифровой
выходной сигнал автоматически корректируется с учетом смещения
относительно нулевого уровня и нелинейности характеристики датчика.
По команде различные данные измеряемого параметра, такие, напри¬
мер, как скорость изменений, могут быть вычислены и оперативно
переданы в управляющий компьютер
значит, к уменьшению числа ошибок и более простой
его модификации. При этом время реакции системы
уменьшается благодаря параллельной обработке инфор¬
мации, появляется возможность использования локаль¬
ных программ в мониторе и учета состояния техно¬
логического оборудования. Это приводит, в свою оче¬
редь, к более простому и более дешевому его
ремонту и повышает надежность. Относительная просто¬
та программирования и контроль состояния оборудо¬
вания вычислительными средствами уменьшают стои¬
мость проектирования системы управления в целом и де¬
лают ее более оперативной, что позволяет удовлетворять
требованиям, предъявляемым технологической линией.
Поскольку почти все микропроцессоры производят
обработку информации, представленной в цифровой
форме, то это ведет к тенденции разработки цифровой
системы управления технологическими процессами, что
делает их развитие и модификацию более простыми,
обеспечивает эффективное взаимодействие технических
средств, создает возможности по их самоконтролю и пе-
репрограммированию. Это, однако, требует более высо¬
кой квалификации от обслуживающего персонала.
Таким образом, микроэлектроника может широко
применяться в системах управления технологическими
116

Иерархия ЭВМ. Появление микропроцессора значительно снизило
стоимость вычислительных ресурсов, и поэтому стало экономически
оправданным применение компьютеров везде, где требуется обработ¬
ка данных или формирование управляющих воздействий. ЭВМ могут
теперь использоваться в самых различных местах на предприятии для
решения разнообразных задач, начиная от управления и вычислительных
работ и заканчивая линеаризацией выходного сигнала измеритель¬
ного преобразователя. Когда ЭВМ», расположенные на различных
уровнях системы управления, могут обмениваться между собой ин¬
формацией, то управление технологическим процессом или предприя¬
тием в целом может при необходимости оперативно из/леняться по
новым программам или данным. Это приводит к высокой гибкости
производства
процессами. Для иллюстрации общих тенденций более
подробно рассмотрим две специфические области этих
приложений. Это — управление объемом выпуска
продукции и сбор информации. Параметры любого тех¬
нологического оборудования, определяющие его произ¬
водительность, могут относительно просто изменяться не¬
большими по размерам электронными средствами. Фак¬
17

тически любая машина, старая или новая, может быть
управляема. Для этого проводятся измерения ее текущей
производительности и сравнения с заданной и выра¬
ботки соответствующего управляющего воздействия по
сигналу рассогласования. Результаты вычисления крите¬
рия качества управления могут отображаться. Интегриро¬
ванные данные о работе машины и характеристиках
процесса управления ею могут передаваться в централь¬
ную ЭВМ для включения в базу данных и вычисления
обобщенных показателей. Указанные электронные уст¬
ройства точно подбираются под конкретную машину и
сравнительно дешевы, а группы таких устройств можно
подключать к управляющей ЭВМ среднего уровня,
расположенной, например, в заводоуправлении.
Возможно, разумеется, спроектировать контроллер
технологического процесса, ориентированный на спе¬
циальные задачи, на базе микропроцессора и некото¬
рого числа дополнительных компонентов, что требует
объединенных усилий инженера по электронике, прог¬
раммиста и инженера-технолога. Но такой подход тре¬
бует больших затрат времени и довольно дорог, а
потому его можно рекомендовать лишь в специальных
случаях (например, когда требуется высокое быстродей¬
ствие или исключительная надежность). В отличие от него
можно использовать для управления один из большого
числа универсальных контроллеров технологического
процесса, которые доступны по цене и легко под¬
вергаются перепрограммированию. Такие устройства
называются программируемыми логическими контролле¬
рами (ПЛК). Они занимают широкий диапазон, прости¬
рающийся от простых версий микрокомпьютеров с
расширенным периферийным оборудованием до цифро¬
вых контроллеров с многопетлевой архитектурой, кото¬
рые могут быть запрограммированы инженером-техно¬
логом, знакомым с технологической картой или блок-
схемой процесса. Общим элементом всех этих контрол¬
леров является микропроцессор. В качестве примера
можно привести систему «Директор» фирмы ITT стои¬
мостью около 4000 долларов, способную управлять не¬
сколькими индивидуальными устройствами и имеющую
программирующую клавиатуру, которая включает сим¬
волы, соответствующие элементам технологической кар¬
ты. Задача смены жесткой управляющей логики для
работающей машины на подобную систему довольно
118

проста. При этом повышается надежность и гибкость
системы управления и ее способность к решению более
сложных задач.
Новый японский однопетлевой контроллер фирмы
Hokushin стоимостью 2000 долларов позволяет вводить
программу с помощью клавиатуры или с кассеты и
сохраняет в своей памяти информационное состояние
при выходе из строя системы электропитания. Этот циф¬
ровой контроллер имеет такой же пульт управления
и индикаторы, как и его аналоговый предшественник,
что облегчает смену типа контроллера. Восьмипетлевой
контроллер стоит около 16 000 долларов, а четырнадца¬
типетлевая система — около 25 000 долларов. Их про¬
граммирование значительно упрощено благодаря нали¬
чию меню управляющих программ, записанных в памяти,
которые могут быть включены в программу пользо¬
вателя. С помощью ПЛК возможно оперативно внести
любые изменения в управляемый технологический про¬
цесс, и если они касаются различных аппаратных средств,
то для этого используются соответствующие встраивае¬
мые модули.
«Аналоговые» микропроцессоры, используемые в
контроллерах, обещают внести радикальные изменения
в проектирование аналоговых систем управления тех¬
нологическими процессами, как внесли изменения в раз¬
работку цифровых систем первые микропроцессоры.
Обработка аналоговых сигналов представляет собой важ¬
ный элемент системы управления, а потому применение
таких устройств существенно повлияет на процесс
автоматизации. «Аналоговый» микропроцессор произво¬
дит аналого-цифровое преобразование непрерывного
сигнала, потом осуществляет его обработку в цифро¬
вой форме, а затем результат снова преобразовывает
в аналоговую форму. Его архитектура и система команд
ориентированы на реализацию возлагаемых на него
функций с высокой производительностью. Цифровая
фильтрация, которая ранее осуществлялась мини-ком¬
пьютером, теперь может осуществляться одним кристал¬
лом, причем «аналоговый» микропроцессор может вы¬
полнять обработку сигналов в частотном диапазоне до
10 кГц, в то время как стандартные цифровые микро¬
процессоры могли обрабатывать аналоговые сигна¬
лы, спектр которых не превышает частоты 100 Гц. Если
частотный диапазон больше 10 кГц, то необходимо
119

I
«Аналоговые» микропроцессоры. Последние достижения в области
микропроцессоров специально ориентированы на управление техноло¬
гическим процессом или цифровую обработку сигналов. Такие микро¬
процессоры могут считывать аналоговый сигнал, производить с ним
различные операции в цифровой форме, а затем выдавать резуль¬
таты обработки в виде аналогового сигнала
для цифровой обработки сигналов применять дорого¬
стоящие микропроцессоры с разрядно-модульной орга¬
низацией совместно с высокоскоростным умножителем.
Точность работы контроллера определяется характе¬
ристиками датчиков, измеряющих физические параметры
управляемого процесса или машины. Кремниевые микро¬
датчики — это измерительные преобразователи, выпол¬
ненные по микроэлектронной технологии, которые могут
быть объединены в одном кристалле с микропроцес¬
сором. В настоящее время они получены в единичных
экземплярах в нескольких лабораториях, но вскоре ожи¬
дается их большой выпуск для разнообразных приложе¬
ний. Интеграция датчиков, способных измерять давление,
температуру, влажность, точку росы, усилия, ускорения
и скорость потока газа, со средствами обработки сигна¬
ла в одном чипе даст толчок созданию нового класса
«интеллектуальных» измерительных преобразователей.
Их можно выполнять в виде одно- или двухмерной
решетки для определения характеристик поля давления
или температурного поля, а точность таких датчиков
может подвергаться периодической калибровке. Более
того, кремниевые микродатчики обладают в сотни раз
большей надежностью, чем обычные датчики на основе
дискретных транзисторных схем.
Компьютеры, управляющие технологическим процес¬
сом, можно использовать также и для решения вспо¬
могательных задач. Большой интерес у производителей
вызывают попытки снизить уровень запасов на складах
до минимума, так как долгое хранение материалов ведет
120

Измеритель максимального расхода электроэнергии. Такой монитор
производит накопление данных по расходу электроэнергии в целом на
промышленном предприятии за каждые 30 мин. Если на основе этих дан¬
ных монитор предсказывает, что к концу указанного периода расход
электроэнергии может превысить максимальный уровень, согласован¬
ный с администрацией системы энергоснабжения, то он вырабаты¬
вает сигналы предупреждения и рекомендации по отключении части
нагрузки, чтобы не превзойти указанный уровень. Монитор легко уста¬
навливается и может окупить себя во многих случаях в течение 1 года. На
дисплее горизонтальной линией отображается предельно допустимый
расход электроэнергии, а заштрихованной фигурой — действительный
расход электроэнергии
к замораживанию капиталовложений. Управление запаса¬
ми с помощью ЭВМ позволяет легко снизить количество
сырья, которое будет использоваться в технологическом
процессе. Точно так же и использование других ресур¬
сов (людей, машин и энергии) подвергается строгому
расписанию, и таким образом сводятся к минимуму
трудовые, энергетические и материальные затраты. Элек¬
троэнергия обычно распределяется между многими по¬
требителями из расчета на максимальный уровень ее
использования, что приводит к эксплуатации системы
электроснабжения (кабелей, распределителей, трансфор¬
маторов), соответствующей максимальной мощности.
121

Специальные измерители, установленные на производст¬
ве, могли бы прогнозировать расход электроэнергии на
ближайшие полчаса и фиксировать его максимум. Если
такой согласованный максимум превышается, то компа¬
ния должна нести ответственность за это. Таким образом,
появляется заинтересованность у промышленных потре¬
бителей в снижении больших пиков в расходе электро¬
энергии, что позволяет сгладить колебания в энерго¬
снабжении.
Очевидно, что соответствующие расчеты могут быть
идеально выполнены ЭВМ. Когда компьютер предсказы¬
вает повышение расхода электроэнергии, если не изме¬
нится ее потребление в текущий момент, то можно
автоматически снизить нагрузку на предприятии и сигна¬
лизировать оператору об уровне такого снижения.
Оператор может принять решение об изменении нагруз¬
ки без снижения качества производимой продукции и
уменьшения уровня безопасности. Стандартный монитор
для решения таких задач стоит несколько тысяч фунтов,
легко устанавливается и окупает себя за несколько ме¬
сяцев.
С помощью компьютеров осуществляют выполнение
различных расчетов, проектирование выпускаемых изде¬
лий, изучение рынка сбыта, составление отчетов, выявле¬
ние критических путей на сетевом графике производства
и другую работу. Реализация всех этих функций повы¬
шает эффективность предприятия в целом и способ¬
ствует быстрым переменам и стабильности работы.
Микропроцессоры все более широко используются
при создании новых поколений промышленного обору¬
дования и разработке роботов, которые характеризуются
большими возможностями по производительности, обес¬
печивают непрерывную работу с высоким уровнем
безопасности, высокой повторяемости и адаптацией к но¬
вым операциям на производственной линии. В настоящее
время выпускаются главным образом «однорукие» ро¬
боты, движением которых управляет ЭВМ посредством
нескольких двигателей.
Робот как таковой представляет собой следующий шаг
в технологической революции, начавшейся с изобретения
колеса. Если достижения в области автоматического
управления технологическими процессами рассматривать
воедино с достижениями в автоматической обработке
материалов, автоматическим контролем и речевым вво¬
122

дом / выводом информации в ЭВМ, которые бы исполь¬
зовались на всех уровнях производственного процесса,
то можно прийти к концепции полностью автомати¬
ческого производства. Естественно, что сложный процесс
нововведений и технических преобразований не базиру¬
ется исключительно на технологии. Социальные и эко¬
номические факторы, включая подготовку программис¬
тов, степень организации труда, экономический рост,
оказывают большое влияние на скорость технологи¬
ческих изменений.
Кажется невероятным, что в ближайшем будущем
ожидается повсеместная полная автоматизация произ¬
водства. Различные компании будут следовать этой линии
в силу высокого уровня конкуренции. Возможно, это
произойдет путем последовательного ввода новой техно¬
логии, особенно в тех областях, где повышение эф¬
фективности не приводит сразу к экономическим выго¬
дам. В настоящее время на рынке все в больших
объемах появляются недорогие контроллеры на основе
микропроцессоров, которые можно использовать как для
решения локальных задач, так и для более общих
приложений. Время относительно дорогих мини-ЭВМ
для управления технологическими процессами проходит,
что приводит к значительному «снижению платы за вход в
цифровой клуб». Компании теперь могут постепенно
расширять при необходимости применение микроэлект¬
ронного управления, внедрение которого будет произво¬
диться все более быстрыми темпами по мере появления
дешевых и мощных контроллеров и мониторов, спо¬
собных обмениваться информацией с другими контролле¬
рами. Это приведет к построению сложных распреде¬
ленных вычислительных систем.

Microelectronics
and Reliability
Ми кроэлсктроника
и надежность
Дж. Р. ДЖОРДАН
Приборы, выполненные на основе микроэлектронной
технологии, широко применяются в самых разнообраз¬
ных товарах и системах. Это означает, что надежность
микроэлектронных приборов имеет отношение ко всем
членам общества — потребителям продукции промыш¬
ленности. Микроэлектроника играет важную роль в
таких разных областях, как электроэнергетика, компь¬
ютеры для управления воздушным движением, электрон¬
ные коммутаторы автоматических телефонных станций,
электронные банковские системы и т. д. Отказ лю¬
бой электронной схемы в таких системах приведет к
экономическим потерям, которые значительно превыша¬
ют стоимость используемых микроэлектронных прибо¬
ров, а в некоторых случаях такой отказ может привести
к необратимым последствиям. Повышение сложности
современных систем на основе микроэлектроники
породило актуальную проблему, связанную с про¬
веркой надежности интегральных схем. За короткое
время невозможно провести полные испытания мик¬
роэлектронного оборудования на надежность, а по¬
этому нет 100-процентной уверенности, что оно будет вес¬
ти себя надежно в самых различных условиях его
эксплуатации. Именно поэтому стало весьма трудно
гарантировать устойчивую работу электронных приборов
и устройств без дорогостоящих и длительных по времени
испытаний.
«Надежность» — это технический термин, означа¬
ющий способность объекта безотказно работать в четко
оговоренных условиях. Отказ может быть внезапный или
J. R. JORDAN. Microelectronics and Reliability.
124

постепенный, полный или частичный, катастрофический
(внезапный и полный) или прогрессирующий (постепен¬
ный и частичный). Как правило, надежность некоторого
объекта обратно пропорциональна его сложности. Одна¬
ко это обстоятельство не характерно для изделий крупно¬
серийного производства, где должны предъявляться
жесткие требования к надежности. Поэтому при увеличе¬
нии сложности изделия надежность его отдельных эле¬
ментов должна быть значительно повышена.
В области микроэлектронной техники, новых систем и
новых технологий вопросам надежности придается боль¬
шое значение, и они решаются самыми передовыми
инженерными методами. В таких случаях трудно заранее
определить вклад в повышение надежности систем, пост¬
роенных на основе последних достижений в произ¬
водстве ИМС. Соответственно там, где требуется высокая
надежность, конструктор опирается на свой опыт в отборе
компонентов гарантированного качества и оперирует
с ними при соблюдении жестких требований к условиям
работы. Быстрый рост телевидения в конце 40-х и в 50-х
годах и постепенный переход к цветному телевидению
постоянно повышали требования к комплектующим из¬
делиям, и если последние обладали требуемыми надеж¬
ностными характеристиками, то это стимулировало элект¬
ронную промышленность к производству таких изделий.
Надежность, представляющая собой неотъемлемую
часть высокого качества, должна контролироваться на
каждом этапе производственного процесса, начиная от
начальных спецификаций выпускаемого изделия, проек¬
тирования и изготовления до окончательной поставки его
потребителю. Более того, пока каждый из нас имеет
четкое представление о значении надежности, оно будет
осознаваться при выпуске любой продукции.
Таким образом, при обсуждении проблемы надежнос¬
ти технических изделий трудно выбрать что-либо конкрет¬
ное, и представленный здесь материал — это обзор
общих, но важных вопросов, которые должны принимать¬
ся во внимание конструктором, способным внести свой
вклад в повышение надежности электронного оборудо¬
вания.
При проектировании изделий на базе микроэлектро¬
ники для повышения их надежности следует учитывать
ряд взаимосвязанных факторов. Первый из них — это
надежность компонентов, которые в значительной мере
125

определяют надежность изделия в целом. Важно отме¬
тить, что надежность компонентов уменьшается, если они
функционируют в условиях, отличных от нормальных, а
поэтому при проектировании оборудования необходимо
учитывать требования по эксплуатации компонентов. Во
многих случаях надежность оборудования повышается,
если компоненты будут работать в режимах, далеких
от экстремальных. Второй фактор — влияние среды на на¬
дежность. Для ее повышения требуется физическая защита
от внешних воздействий, изоляция от источников тепла,
исключение колебаний в сети электропитания. Поэтому
необходимо предвидеть внешние условия, в которых бу¬
дет работать изделие. Третий фактор — влияние на на¬
дежность проекта схемы. Он должен быть разработан
с учетом совместимости различных компонентов, воз¬
можных отклонений от своих номинальных значений в
пределах допуска, экстремальных режимов1 работы,
отказа одного из компонентов схемы. Функционирование
каждого компонента должно строго отвечать его паспорт¬
ным данным.
В практике проектирования цветных телевизоров,
например, имеют место все указанные факторы. Телеви¬
зионный приемник, представляющий собой, вероятно,
один из наиболее распространенных видов электронного
оборудования, состоит из большого числа компонентов
и множества цепей. Он рассчитывается на работу в раз¬
личных условиях, и предполагается, что рядовой его
потребитель не специализируется в электронике. К тому
же условия работы телевизора не контролируются, и со
стороны потребителя предъявляются требования к его
высокой надежности и низкой стоимости. Интересно
отметить, что большинство неисправностей, которые вы¬
являются в начальный период работы как черно¬
белых, так и цветных телевизоров, связано не с отказами
электронных компонентов, а скорее с механическими
переключателями и пассивными электрокомпонентами,
такими, как резисторы, которые применяются для обес¬
печения различных значений напряжений в схеме те¬
левизора. Такие элементы использовались и в цветных
телевизорах первых выпусков.
Подробное рассмотрение влияния схематического
расчета оборудования на его надежность представляет
собой долгую и сложную задачу, решение которой
опирается на методы различных научно-технических
126

дисциплин. Точный расчет, однако, предсталяет собой
комбинацию науки и искусства, учитывающую прошлый
опыт проектировщика и тщательное изучение всей
доступной информации по этому вопросу. В этой области
накоплено достаточно данных за многие годы проекти¬
рования электронной аппаратуры, и надежности посвяще¬
ны многие работы научного и практического характера.
Производители непрерывно повышают качество и надеж¬
ность своих изделий на основе анализа результатов
их испытаний как в процессе производства, так и в
процессе эксплуатации. Результаты испытаний позволя¬
ют установить стандарты на качество аппаратуры и выяв¬
ляют те резервы, которые могут использоваться для по¬
вышения надежности. Данные, полученные за длитель¬
ный период анализа работы изделия (в частности,
по определению времени его безотказной работы в
различных условиях), позволяют достаточно точно ин¬
формировать потребителя о его надежностных характе¬
ристиках. При этом в некоторых случаях можно постав¬
лять на рынок функционально идентичные изделия, но
с различными характеристиками по надежности, а значит,
и различные по цене. Иногда технически возможно соз¬
давать компоненты, надежность которых близка к 100%.
Стоимость таких компонентов и оборудования на их осно¬
ве будет, вероятно, очень высокой. Такая ситуация воз¬
никает при разработке военной и аэрокосмической аппа¬
ратуры, отказ которой не может быть допустимым при
некоторых определенных условиях.
Производители электронного оборудования готовы,
как правило, платить повышенную цену за умеренные
достижения в росте надежности своей продукции,
так как они должны принимать во внимание не только
стоимость исходных компонентов, но и общую стоимость
изделий в течение всего времени их жизни. Потребитель,
производя выбор этого изделия из множества анало¬
гичных, должен решать подобную задачу при, как пра¬
вило, значительно меньших знаниях об их свойствах.
Очевидно, что общая стоимость складывается из началь¬
ной стоимости компонент и стоимости обслуживания из¬
делия, которая существенно зависит от его надежности.
Надежность компонент обычно повышается, если они
работают в пределах своих допустимых границ и практи¬
чески не подвергаются нежелательным внешним воздей¬
ствиям. В число последних включаются отклонения напря-
127

ш
о
и
го
У
О
Область 1 Область 2	Область 3
\ ' 1
Время
Зависимость частоты отказов от времени. Эта зависимость, имею¬
щая форму ванны, может быть поделена на три различные области.
Область 1 характеризует «детские болезни» изделия, вызванные глав¬
ным образом несовершенством конструкции, низким качеством компо¬
нент или недопустимым режимом их работы. Соответствующий пери¬
од проходит на предприятии. Постоянный уровень в области 2 харак¬
теризует стабилизацию частоты отказов, которая определяется качест¬
вом проектирования и временем жизни изделия. Для расширения
области 2 целесообразно использовать профилактический ремонт
и восстановление изделия (пунктирная кривая). Область 3 характеризует
старение изделия и его износ
жений (и токов) от номинальных значений, изменения
температуры и циклов работы. Как правило, влияние
таких воздействий в любой форме повышает температуру
компонента, а значит, ускоряет работу различных фи¬
зических и химических механизмов, которые приводят к
отказу. Таким образом, для того чтобы повысить на¬
дежность какой-либо части оборудования, проектиров¬
щик должен выбрать такие компоненты, которые в тех¬
нологическом отношении близки и характеризуются
примерно одинаковыми условиями эксплуатации. Они, что
называется будут работать в расширенном диапазоне
внешних воздействий по сравнению с аналогичными по
функциональному назначению компонентами, но требую¬
щими более жесткого соблюдения условий эксплуа¬
тации. Это приводит к увеличению стоимости изделия,
но одновременно повышается и его надежность.
Расширение же указанного диапазона снижает стоимость
обслуживания во время эксплуатации оборудова¬
ния.
Условия, при которых микроэлектронный прибор вы¬
ходит из строя, и причины его отказа представляют
особый интерес для проектировщика и производителя.
Частичный отказ не приводит к полной потере работо¬
способности, но характеристики соответствующего ком¬
понента отличаются от номинальных. Полный отказ проис¬
128

ходит, когда параметры выходит за допустимые грани¬
цы и прибор не может выполнять свои функции.
Отказ может быть вызван нарушением условий работы,
в частности, недостаточным охлаждением, использова¬
нием бракованных компонентов, неожиданными вибра¬
циями или несогласованностью по характеристикам с
другими элементами оборудования, что приводит к изме¬
нению электрического режима работы. Точно так же не¬
которые отказы могут быть объяснены такими причи¬
нами, как нарушения технологического процесса при про¬
изводстве изделия. Типичные отказы в этих случаях
таковы: обрыв проводов, неверное подключение, брак
из-за плохой обработки, некачественная металлизация
или сварка. Скрытые отказы вызываются перегрузкой
или предельными воздействиями во время испытаний.
Наконец, к отказам приводит неправильная эксплуатация
как элементов, так и оборудования в целом (например,
перегрузка по напряжению, току или механическим
воздействиям).
Надежность характеризуется главным образом часто¬
той отказов в течение времени жизни оборудования, т. е.
в тот период, когда отказы происходят случайным
образом. Предполагается, что первые отказы, вызван¬
ные производственными ошибками, уже исключены, а
отказы, вызванные нормальной эксплуатацией на корот¬
ком отрезке начала работы, еще не начались.
Частота отказов иллюстрируется зависимостью, име¬
ющей вид «ванны», где она относительно велика в на¬
чальный период и на последнем этапе жизни изделия.
В начальный период (обычно около 100 часов) часто¬
та отказов относительно велика в силу «детских бо¬
лезней» оборудования (например, неудачной конструк¬
ции или работы компонентов на пределе своих воз¬
можностей). Этот период обычно проходит у произ¬
водителя оборудования, так как отказы случаются по вине
производства. Более детальный анализ «детских болез¬
ней» показывает, что необходимо различать отказы из-за
выхода из строя электронных компонентов и отказы,
вызванные несовершенством проектирования и изготов¬
ления оборудования. Доля каждого из этих источников
отказов зависит от типа оборудования. Обычно использо¬
вание компонентов, которые испортились при хранении
или транспортировке или же повредились в резуль¬
тате нарушений в технологическом процессе, приводит к
9 Заказ 1 1730
129

отказам, которые выявляются на этапе испытаний. Этот
тип отказов называется «детской смертностью», и они
прекращаются при нормальной эксплуатации оборудо¬
вания потребителем.
Компьютер строится на базе большого числа хорошо
рассчитанных компонентов. Для него отношение числа от¬
казов из-за бракованных микросхем к числу отказов
из-за ошибок сборки компьютера составляет примерно
4:1. В оборудовании типа связных приемников или управ¬
ления оружием это отношение может быть обратным,
так как проблемы его проектирования и производства
более существенны, чем использование новейших микро¬
электронных приборов и других сложных устройств.
Отказы, которые характерны для всех контрольных
партий изделий, могут быть легко выявлены и учтены
при модификациях и изменениях соответствующих про¬
изводственных операций. Если же отказы носят случай¬
ный характер в контрольных партиях, но появляются в
начальный период работы, то они обусловлены в основ¬
ном ошибками в расчете и конструировании.
Для основного периода жизни изделия частота отказов
постоянна, и они характеризуются своим вероятностным
описанием. Реальная частота отказов — это мера качества
проектирования и расчета времени нормальной работы
оборудования, причем чем меньше частота отказов,
тем выше надежность. Начальная часть этого периода
соответствует гарантиям производителя. С его точки
зрения, важно, чтобы число отказов отечественного элек¬
тронного оборудования было минимальным по двум
причинам. Во-первых, цена изделия назначается с учетом
статистических оценок потенциальных отказов и сто¬
имости гарантийного ремонта. Если частота отказов выше
предполагаемой, то это приведет к финансовым поте¬
рям и банкротству производителя. Во-вторых, низкая
надежность в гарантийный период может вызвать нежела¬
ние потребителя покупать изделия, что сократит спрос.
Время жизни оборудования может быть увеличено при
хорошем обслуживании и ремонте, если в течение всего
этого времени отказы носят случайный характер.
Число отказов во время нормальной работы обору¬
дования может быть уменьшено, если использовать
методы резервирования. Так, например, в кабелях связи
часто используются многоштырьковые разъемы с неболь¬
шим числом запасных штырьков, позволяющих запарал-
130

Средства автоматического контроля. Современное электронное ис¬
пытательное оборудование базируется на принципе «виртуального
тестирования», в соответствии с которым проверяемая схема работает
не в составе стандартного испытательного стенда, а в аппаратно-
программной среде, где тестирующие сигналы формируются програм¬
мным образом. Это позволяет исключить различные кнопки,
наборные панели, устройства отображения и измерительные приборы, а
система может быть быстро перепрограммирована на проведение
другой серии испытаний с другими схемами
лелить наиболее важные проводники. Помимо внесения
такой избыточности, для повышения безопасности можно
использовать плавкие предохранители или блокировки
для исключения повреждений. Короткие замыкания во
время испытаний приводят к выходу из строя источников
питания или полупроводниковых приборов и могут быть
предотвращены грамотным расчетом схем.
В электронном оборудовании могут применяться так¬
же специальные схемы, обеспечивающие возврат к безо¬
пасным состояниям, если резко изменяются напряжения.
Например, в систему управления ракетой могут быть
включены дополнительные схемы памяти для сохранения
курса ракеты, если цель временно потеряна.
Отказы, которые происходят в конце срока жизни из¬
делия, зависят от времени и часто вызываются механи¬
ческими и химическими воздействиями. Большая часть
электромеханических устройств постепенно изнашивает¬
ся. В этом случае конструктор может разве что мини¬
мизировать скорость износа на основе тщательного выбо-
9*
131

Электронный микроскоп. Такой микроскоп имеет разрешающую
способность, превосходящую в 100 раз разрешающую способность
обычного оптического микроскопа, и представляет собой исключитель¬
ное средство для определения характеристик интегральных схем. С его
помощью можно обнаружить мельчайшие дефекты, такие, например,
как трещины в металлических проводниках или остатки материалов на
поверхности кристалла, которые уменьшают надежность микросхем
и сокращают время их жизни. Достижения в области разработки
электронных микроскопов позволяют контролировать работу микро¬
электронного прибора на испытательном стенде и отображать различ¬
ные потенциальные уровни в графической форме на цветном теле¬
визионном экране. На этой фотографии, сделанной с помощью эле¬
ктронного микроскопа, показаны выводные проводники толщиной
25 мкм, соединяющие металлические контактные площадки на чипе
(слева) с аналогичными площадками на корпусе (справа)
ра материалов, защиты компонентов от влаги и ат¬
мосферных воздействий, применения компонентов с бо¬
лее широкими допусками и исключения высоких темпе¬
ратур. Профилактические меры в этот период, если они
еще экономически оправданы, также способствуют сни¬
жению частоты отказов.
Чтобы иметь представление о количественных харак¬
теристиках надежности электронного оборудования, рас¬
смотрим те его составные части, которые включают
в себя микроэлектронные приборы. Предположим,
что частота отказа последних равна примерно 0,1 % на
1000 ч работы, а отказ хотя бы одной микро¬
схемы приводит к отказу всего оборудования. Если таких
компонентов всего 10, то вероятность безотказной работы
оборудования за 1000 ч работы будет равна 0,991.
Однако если число компонентов 700, то указанная веро¬
ятность снизится до значения 0,5.
132

Часто отказ одной микросхемы может привести к
выходу из строя другой части системы. Поэтому проб¬
лема проектирования надежной системы состоит в том,
чтобы максимально предвидеть взаимовлияние отказов
в различных ее частях. Здесь важное значение имеет так¬
же человеческий фактор, связанный с ошибками, которые
порождаются недостаточно продуманным проектом, от¬
сутствием опыта, небрежностью или неспособностью до¬
статочно быстро принимать решения. Влияние ошибок
проектировщика может быть минимизировано при чет¬
кой организации проектирования оборудования, проце¬
дурах расчета и системе проверок. Роль этих факторов
возрастает по мере повышения сложности оборудования.
Особенно актуален этот комплекс проблем для конструк¬
торов микроэлектронного оборудования, использующих
для реализации стоящих перед ними задач сложные ин¬
тегральные схемы. Очевидно, однако, что конструкторы
и производители такого оборудования должны учитывать
в своих изделиях возможности самотестирования или по
меньшей мере включать в состав оборудования системы
контроля, облегчающие тестирование сбоев, отказов и не¬
поладок.
Один из основных принципов теории надежности
заключается в том, что надежность системы, состоя¬
щей из последовательно соединенных элементов, не пре¬
восходит надежности самого ненадежного элемента, а
надежность системы, состоящей из параллельно вклю¬
ченных элементов, не меньше надежности самого надеж¬
ного элемента. Этот результат приводит к необхо¬
димости применения методов резервирования при про¬
ектировании оборудования.
Резкое повышение возможностей БИС и их доступность
лишь недавно привели к проектированию избыточных
структур. Цифровые системы строятся теперь с возмож¬
ностью непрерывного контроля их состояния, что позво¬
ляет определить неисправный модуль, который привел к
отказу системы. В некоторых случаях для увеличения в 10
раз времени жизни изделия требуется по меньшей
мере в 3 раза повысить его сложность. Интересно
отметить, что в настоящее время самотестирующиеся
цифровые системы можно проектировать в расчете на то,
что их сможет обслуживать и ремонтировать персонал сред¬
ней квалификации. Так, например, если запоминающее
устройство разделить на несколько модулей, то методы
133

аппаратного или программного тестирования позволяют
определить неисправные блоки ЗУ, которые могут быть
отключены и на их место поставлены запасные модули
памяти. Повышение сложности интегральных схем при¬
вело к необходимости сначала вводить в структуру
системы средства тестирования, а затем повышать на¬
дежность путем резервирования и применения корректи¬
рующих кодов. Это внесло изменения в природу методов
контроля состояния оборудования и в некоторых случаях
позволило исключить необходимость детального тестиро¬
вания чипов.
Проектировщики БИС и СБИС по мере производ¬
ства микроэлектронных приборов все более высокого
уровня сложности должны большее внимание уделять
проблемам обеспечения надежной работы интегральных
схем и осознавать необходимость создания самотестиру-
ющихся ИМС или по меньшей мере ИМС с простым
контролем правильности их функционирования. Предпо¬
лагая, что на этапе проектирования ошибки исключены,
отказы в микросхемах могут возникать в результате
плохого решения проблем при их производстве (на¬
пример, дефекты фотошаблонов, наличие пыли и дефек¬
ты в структуре кристалла кремния). Примерно 60%
всего брака можно отнести за счет плохой сборки микро¬
схем, некачественной металлизации или распайки выводов.
И совсем неожиданно, что 80% отказов происходит за
счет некачественного обслуживания, когда при проверке
микросхем возникают отказы из-за перегрузки или пода¬
чи недопустимых внешних сигналов или неправильной
диагностики работоспособности микросхемы. Но на
самом деле неисправности происходят по другим при¬
чинам. Оставшиеся 20% отказов ИМС вызываются, как
правило, дефектами монтажа кристаллов в корпусе и
дефектами процесса изготовления пластин, которые про¬
являются по истечении некоторого времени. Случается,
что группа приборов удовлетворительно работает при
нормальных внешних условиях, но их характеристики бу¬
дут быстро ухудшаться и в конце концов наступит от¬
каз, когда приборы начинают работать на пределе своих
возможностей. Основные источники таких отказов связа¬
ны с накоплением зарядов и индуцированными токами
из-за движения атомов в металлах, которые приводят
к экстремальным условиям работы ИМС. Свободное дви¬
жение атомов металла является наиболее существенным
134

Пробные испытания интегральных схем. Перед тем как крем¬
ниевая пластина нарезается на отдельные чипы, интегральные
схемы предварительно тестируются. Для этого обработанная пла¬
стина с помощью присосок помещается на управляемую плат¬
форму и набор тонких испытательных зондов присоединяется к
требуемым точкам кристалла. Когда кончики зондов соприкаса¬
ются с поверхностью пластины, автоматически строка за строкой
начинает проводиться испытание. Проверяются все интегральные
схемы. Бракованные приборы отмечаются краской и затем удаля¬
ются, что позволяет отсортировать надежные микросхемы уже на
первых этапах производства
долговременным механизмом ухудшения параметров
микросхем, в которых высокая плотность тока и повышен¬
ная температура вызывают притяжение атомов к положи¬
тельному полюсу и металл исчезает из некоторых об¬
ластей ИМС. Это приводит к разрыву цепи и, таким
образом, к отказу.
Работа этих механизмов отказов усугубляется высоки¬
ми температурами, и для МДП-ИМС получены следую¬
щие данные: частота отказов удваивается при повышении
температуры на 10 °C. Локальный нагрев микросхемы
вызван работой некоторых транзисторов вне расчетных
границ допустимой области своих параметров. Он может
и не вызывать немедленных отказов ИМС, но ускоряет по¬
135

явление какого-либо нежелательного режима, приводя¬
щего к отказу. Исследование таких ситуаций трудоем¬
ко, так как постоянная времени нагрева может пре¬
восходить время испытания ИМС, выбранное из экономи¬
ческих соображений. К счастью, при нормальных усло¬
виях работы микроэлектронные приборы весьма надеж¬
ны, и для точного определения их надежностных ха¬
рактеристик требуются годы испытаний. Типичное значе¬
ние частоты отказов составляет 0,1% на 1000 ч, что
эквивалентно в среднем отказу одной микросхемы из
1000 за 6 недель непрерывной работы. Если надежность
ИМС еще выше, то более трудно определить соответ¬
ствующие характеристики. Интересно, что зависимость
частоты отказов от температуры может быть исполь¬
зована для получения требуемых данных по надежности
в сжатые сроки. Если микросхема работает при темпе¬
ратуре выше нормальной, то частота ее отказов значи¬
тельно возрастает. Результаты испытаний, полученные для
более напряженных условий работы ИМС, могут быть
экстраполированы на нормальные условия для оценки
распределения времени жизни прибора. Такие испытания
называются ускоренными.
Повышение уровня сложности микросхем ставит пе¬
ред разработчиками вопрос об их тестируемости на
самых ранних стадиях проектирования ИМС. Если логи¬
ческая схема имеет 16 входов, то требуется примерно
60 000 различных цифровых входных сигналов для испы¬
тания всех ее возможных состояний. Если же схема со¬
держит элементы памяти, состояния которых зависят от
предыдущих входных сигналов и выходных состояний,
то должны быть рассмотрены все возможные комбинации
внутренних состояний с внешними входными сигналами,
число которых весьма велико. Поэтому нереально
за короткое время рассмотреть в процессе испытаний
все возможные ситуации, а длительные испытания могут
заметно увеличить стоимость микросхемы. В результате
указанных трудностей по проведению всеобъемлющего
тестирования вероятность наличия неисправностей весьма
велика, но вначале такие неисправности могут быть
не обнаружены. Другие ситуации возникают, когда отка¬
зы чувствительны к испытательным сигналам. Так, на¬
пример, ячейка памяти может хранить «1» и «0», когда
соседние двоичные символы являются нулями, но может
перейти в состояние «1», когда и в соседних ячейках
136

Входное
слово
/16 бит/
Г енератор
проверочных
символов
6-разрядный
код
Процессор
16-разрндное
слово
Обнаружение
ошибок
Скорректи¬
Исправление
ошибок
рованное
выходное
слово
/16 бит/
-►
Схемы для корректирующего кодирования, повышающие надеж¬
ность прибора. В изделиях на базе микроэлектроники, от которых
требуется очень высокая надежность, могут быть использованы коррек¬
тирующие коды (коды Хемминга), позволяющие обнаруживать и ист
правлять ошибки. Для 16-разрядного процессора для этих целей требу¬
ется шесть дополнительных проверочных разрядов. Выходные сигналы
процессора могут проверяться на наличие ошибок, и их коррекция
может проводиться автоматически с помощью проверочных символов
записаны «1». Тестируемость прибора может быть улуч¬
шена путем его деления на простые блоки, обеспе¬
чивающие доступ к внутренним состояниям и исполь¬
зующим методы самопроверки. Для этого, конечно, дол¬
жна быть выделена некоторая часть кремниевого кристал¬
ла, но в случае СБИС она, как правило, меньше 10%
общей площади чипа.
Корректирующие коды, такие, например, как код Хем¬
минга, также могут быть использованы для повышения
надежности ИМС. Для этого к каждому двоичному
слову данных добавляются проверочные символы. При
этом получается новое множество слов данных, каждое
из которых удалено от других на требуемое кодовое
расстояние, что обеспечивает обнаружение ошибок и их
исправление. Такие методы помехоустойчивого кодиро¬
вания с большим успехом и широко используются в
запоминающих устройствах, так как около 90% отка¬
зов связано с искажением лишь одного двоичного раз¬
ряда в слове. С помощью кода Хемминга все оди¬
ночные ошибки могут быть исправлены, а двоичные —
обнаружены.
Если в ИМС используются кодер и декодер для ис¬
правления ошибок, то она будет характеризоваться
наибольшей надежностью, так как корректирующая спо¬
собность кода будет использоваться для исправления
отказов во время работы схемы. Однако при тести¬
ровании таких ИМС будет получен более высокий
процент годных микросхем. Увеличение выхода работо¬
способных ИМС по сравнению с выходом идеально
тестированных схем является платой за некоторое умень¬
137

шение надежности. Цена же за включение в микросхе¬
му дополнительных структур, которые значительно повы¬
шают процент годных чипов, считается малой. Если же
при проектировании микросхем совместно использовать
аппаратную избыточность и корректирующее кодирова¬
ние, то могут быть получены отказоустойчивые микро¬
электронные устройства с очень высокой надежностью,
которые не требуют проведения предварительных испы¬
таний.
Гибкость представляет собой одно из важных тре¬
бований, предъявляемых к сложным системам управления.
Обычно она достигается на основе использования запо¬
минающих устройств для хранения программ. Значит,
характеристики надежности и восстановления сложного
программного обеспечения должны быть весьма хороши¬
ми в добавок к надежности аппаратных средств, на
которые ориентирован комплекс программ. Однако на
основе опытных данных известно, что число ошибок при
проектировании программных средств уменьшается с
течением времени до некоторого значения, которое за¬
висит от частоты модификаций программного обеспече¬
ния. Отказы в программах не вызваны «износом» ПО и
обычно происходят тогда, когда программа используется
для решения задач, для которых она не была предназ¬
начена или испытана. Высокий уровень надежности может
быть достигнут путем больших затрат, и поэтому во мно¬
гих случаях по критерию «стоимость — эффективность»
нецелесообразно, вероятно, исключать такие ошибки, ко¬
торые, если они не будут исправлены, приводят к отказу
один раз за несколько лет непрерывной эксплуатации
ПО. Объем программного модуля весьма критичен к
затратам на разработку и верификацию ПО, необхо¬
димым для обеспечения гарантии его надежности в
больших системах. Для определения методов проекти¬
рования, которые позволяют разделить комплекс про¬
грамм на легко тестируемые модули, требуется большая
работа. Но даже в этом случае идеальная надежность
не будет достигнута.
Совершенствование традиционного интерфейса чело¬
век — машина приводит к необходимости дальнейшего
повышения сложности, что возможно на основе микро¬
электроники и программных средств. Сейчас неясно,
насколько тесно человек-оператор будет включен в уп¬
равление сложными системами. Например, временное
138

включение оператора может предотвратить катастрофу,
если автоматика будет неисправна. С другой стороны,
ошибки оператора или неправильное обслуживание мо¬
гут, в свою очередь, привести к отказам или поломкам.
Очевидно, что конструктор системы, заинтересованный в
повышении ее надежности, должен совместно проекти¬
ровать аппаратные средства, программное обеспечение
и интерфейс человек — машина.
Проблема надежности должна решаться различными
методами в зависимости от конкретной прикладной об¬
ласти. Например, электронное оборудование, предназна¬
ченное для работы на борту космического корабля,
должно надежно работать в течение длительного вре¬
мени в расчете на экстремальные условия. Парадок¬
сально, но надежность наземных авиационных систем
должна быть обеспечена лишь на короткое время (мину¬
ты), но уровень ее должен быть очень высоким.
Требование к повышенной надежности предъявляется
тем не менее ко всем микроэлектронным приборам и ко
всему оборудованию на основе микроэлектроники. Недо¬
статочная надежность будущих микроэлектронных систем
может стать одним из главных факторов, ограничивающих
диапазон приложений микроэлектронной технологии.

Microelectronics
and its Impact
on Society
Микроэлектроника
и ее влияние
на общество
Человек неоднократно демонстрировал свое здоро¬
вое восприятие новых изобретений, но был довольно
сдержан в принятии новых идей. В подтверждение можно
привести такие известные примеры, как паровая машина
и самолет. Но основные принципы современной нау¬
ки, развитые в XIX столетии, долгое время были револю¬
ционными и поначалу отвергались. Однако в это время
было осознано, что идея прогресса общества через науку
примет форму прогресса науки. Именно на этой фунда¬
ментальной основе пролегал путь Западного мира к
современным достижениям. Появление первых машин в
XIX столетии привело к резкому отличию нового общест¬
ва от того, в основе которого лежало сельское хозяй¬
ство. Несмотря на полное изменение характера трудовой
деятельности и методов организации труда на заводах и
фабриках, механизация обеспечивала для очень многих
людей новый уровень их личного благосостояния. Науч¬
ный триумф этого периода был отражен на выставке в
Кристальном Дворце, состоявшейся в 1851 году. Она про¬
демонстрировала, что ведущие позиции в развитии
технологии в это время занимала Великобритания.
Причина, по которой мы вспомнили о первой промыш¬
ленной революции, заключается не только в том, чтобы
напомнить всем нам о былом величии Британии, но и про¬
вести параллель с новой технологией XX столетия —
микроэлектроникой. Человек снова столкнулся с ситуаци¬
ей, когда для обеспечения дальнейшего прогресса необ¬
ходимо менять характер работы. Мировые ресурсы в
этом случае будут использованы с наибольшей эффектив-
А. D. MILNE. Microelectronics and its Impact on Society.
140

ностью. Следует отметить, что, хотя микроэлектроника
существует уже несколько лет и широко применяется в
различных областях, мы видим только верх айсберга,
а ниже поверхности лежит реальный потенциал, реализа¬
ция которого предстоит в следующие 10 лет или позже.
В течение следующих 50 лет микроэлектроника глубоко
проникнет во все сферы общественной жизни. При этом
если в первой промышленной революции машины
расширили пределы физических возможностей человека,
то в так называемой второй научно-технической револю¬
ции микроэлектроника позволит расширить возможности
человеческого мозга. Такие перспективы внушают трево¬
гу, и не удивительно, что многие люди опасаются даль¬
нейшего развития и влияния микроэлектроники. В основе
этих предчувствий лежит страх неизвестного нового. В
предыдущих главах этой книги подробно обсуждались
технические основы микроэлектроники. Полученные зна¬
ния позволят нам рассмотреть то влияние, которое
новая технология может оказать на общество.
Развитие радио и телевидения в 20-х и 30-х годах
оказало первое широкомасштабное воздействие микро¬
электроники на общество. Прежде всего радио и теле¬
видение повлияли на отдых и улучшили связь между
людьми и странами, но практически не затронули
производственные процессы и были быстро восприняты
без какого-либо социального протеста. По иронии судьбы
это были годы депрессии, которая породила требования
создать новые, дешевые и доступные средства развлече¬
ния для того, чтобы уйти от трудностей этого вре¬
мени. Сегодня же разработка компьютера и его микро¬
электронного эквивалента — микропроцессора бросает
свой величайший вызов обществу. Широкая доступность
вычислительной мощности благодаря своей низкой стои¬
мости позволяет создать многие новые товары и значи¬
тельно повысить уровень автоматизации, которая позво¬
ляет заменить человека, принимающего решения,
электронной схемой. Поскольку трудно осознать, что
компьютер теперь может быть представлен в виде един¬
ственной компоненты, то целесообразно вначале рас¬
смотреть примеры изделий на основе подобных прибо¬
ров. Здесь существенно, что изделия становятся все
более «умными», они способны, помимо своих обычных
функций, выносить «интеллектуальные» решения, прово¬
дить вычисления и запоминать результаты для их исполь¬
141

зования в будущем. В качестве простого примера можно
привести многофункциональные электронные наручные
часы, которые, помимо того что они показывают время
дня, вычисляют день недели и дату, делают при необхо¬
димости также расчеты на другие месяцы и даже
годы, позволяют точно фиксировать время наступле¬
ния каких-либо событий и даже сообщать нам звонком
о приближении такой важной для нас даты, как годов¬
щина свадьбы, если их специально запрограммиро¬
вать. Наиболее сложные часы снабжаются также каль¬
кулятором. Поскольку часы представляют собой один из
главных микроэлектронных атрибутов современного че¬
ловека, то они являются объектом применения все
большей вычислительной мощности. Самые новые идеи
предполагают возложение на них и медицинских функ¬
ций, таких, как измерение частоты сокращения сердечной
мышцы и определение частоты пульса. Для определения
физических параметров требуются специальные датчики,
которые преобразовывают сигналы в цифровую форму
для проведения необходимой обработки микрокомпью¬
тером. Непосредственное считывание пульса представля¬
ет большой интерес для атлетов, бизнесменов и меди¬
цинских работников. Это только первые шаги в даль¬
нейшем совершенствовании часов. В будущем будут из¬
меряться и другие физиологические параметры, но, что
более важно, часы смогут выполнять также роль теле¬
фона для связи с удаленными объектами через комму¬
никационную систему.
Современная технология производства телефонных
аппаратов представляет собой другой пример повышения
«интеллекта» технических устройств. Недавно введенное
электронное начисление платы за пользование телефо¬
ном обеспечивает современный кнопочный набор номера
и цифровое отображение стоимости переговоров после
их окончания, а также в отличие от традиционных
таксофонов допускает использование монет разных до¬
стоинств. Это улучшает обслуживание абонентов, но, что
более важно, микропроцессор предоставляет возмож¬
ность получить и новое качество аппарата, сразу которое
пользователю неочевидно. Электронное управление поз¬
воляет быстро обнаруживать неисправности и упрощает
ремонт. Эти факторы являются наиболее важными элемен¬
тами большинства новых микроэлектронных разработок.
Практическая реализация таких возможностей проста,
142

если в устройство включен микропроцессор. Он должен
фиксировать выход из строя какой-либо компоненты и
взаимодействовать с измерительным прибором, который
инженер подключает к устройству во время выполнения
ремонта. Все это революционизировало восстановитель¬
ные работы сложного оборудования, которое раньше тре¬
бовало обслуживания высококвалифицированным персо¬
налом. Если посмотреть вперед, то уже сейчас очевид¬
ны дополнительные возможности, возникающие благода¬
ря низкой стоимости микроэлектронных приборов и свя¬
занные с внесением аппаратурной избыточности в систе¬
му, которая позволяет при наличии отказа в одной
из секций обрабатывать сигналы в резервной секции.
Электронные игры и игрушки дают хороший пример
использования возможностей микропроцессора и «интел¬
лектуализации» бытовых приборов. Первые электронные
игры базировались на простейших схемах с жесткой ло¬
гикой и могли реализовать одну или две разно¬
видности игры, что ограничивало интерес к ним. Когда же
появилась возможность включить микропроцессор, игры
стали значительно более разнообразными. Здесь важно
не только то, что число модификаций стало очень боль¬
шим (некоторые системы позволяют получить до 200 игр),
но и то, что уровень трудности игры может расти
по мере роста квалификации игрока. В качестве харак¬
терного примера можно привести компьютерные шах¬
маты, которые обеспечивают различный уровень качества
игры и представляют собой на сегодня наиболее слож¬
ную игру.
Вероятно, одним из наиболее интересных «интеллек¬
туальных» устройств, которое поступило в продажу, явля¬
ется электронный переводчик. Он позволяет набранные с
помощью клавиатуры слова или фразы переводить на
другой язык и результат перевода отображать на не¬
большом экране, а если необходимо, то и говорить
с небольшим акцентом. Здесь могут использоваться мно¬
гие языки, включая японский. В настоящее время
объем словаря ограничен технологическими рамками и
составляет 200 слов, но по мере совершенствования мик¬
росхем уже в ближайшие годы в таком небольшом
устройстве могут содержаться большие словари. Нако¬
нец, можно заменить ручной ввод слов и фраз голо¬
совым вводом. Автоматическое распознавание речи
представляет собой, однако, более трудную задачу,
143

Компьютерные шахматы. Компьютерные шахматные про¬
граммы моделируют игру в шахматы. За последние 30 лет они по¬
лучили большое развитие. Большая часть компьютерных шахмат,
продаваемых на рынке, сделана на основе микроэлектронной
техники и способна в речевой форме сообщать о новом ходе.
В отличие от предыдущих моделей, где при каждом ходе необ¬
ходимо было вводить соответствующие данные с помощью
клавиатуры и рукой передвигать шахматные фигуры, в последней
модели каждый ход автоматически записывается в память. Такие
шахматы могут быть рассчитаны на различный уровень под¬
готовки игрока, как и другие перепрограммируемые игры
чем синтез речи с помощью ЭВМ, и кажется мало¬
вероятным, что голосовой ввод будет разработан до кон¬
ца этого столетия.
Но это достижение окажет, конечно, значительно
большее влияние, чем электронный переводчик. Концеп¬
ция компьютера изменится к тому времени, когда
будет преодолен барьер ввода информации с помощью
клавиатуры.
Приведенные примеры дают представление о возмож¬
ностях микроэлектронных приборов в будущем. Число
«умных» машин, имеющихся в настоящее время, отно¬
сительно мало, но они уже широко используются.
Микропроцессоры уже сейчас применяются в таких
144

Электронный переводчик. Такой переводчик позволяет пере¬
водить слова и фразы с одного языка на другой и отобра¬
жать их на экране или «говорить». С помощью клавиатуры мож¬
но набрать отдельные слова или стандартные фразы, которые
будут переведены. Объем словаря составляет около 700 слов и
фраз, но современная технология позволяет существенно расши¬
рить словарь
|риборах и системах, как швейные, стиральные и посудо¬
моечные машины, телефоны, кухонные плиты, контрол¬
еры нагревательных систем, телевизоры, кино- и теле-
:амеры. А также светофоры, системы зажигания авто¬
мобилей, таксомоторные счетчики, лифты, шифроваль-
1ые системы, системы управления производственнными
|роцессами, системы управления энергоснабжением,
чрежденческие и бухгалтерские системы, кассовые тер¬
миналы, банковские терминалы, библиотечные системы
I многие другие.
0 Заказ 11730
145

До настоящего времени полупроводниковыми фир¬
мами выпускалось большое число микропроцессоров и
микрокомпьютерных чипов, и они через некоторое
время находили применение для разработки новых
устройств и совершенствования известных приборов. Ог¬
ромные капиталовложения в данную технологию уже оку¬
пились, и теперь следует ждать появления на рынке
все новых разработок. Спрос на них постоянно растет,
и полупроводниковые фирмы не могут в полной мере
удовлетворить его. Это объясняется тем, что новые хоро¬
шие идеи появляются не так часто, или же ограничением
круга высококвалифицированных специалистов, способ¬
ных реализовать их.
Некоторые секторы рынка микроэлектроники растут
со скоростью 50% в год. К тому же интересно отме¬
тить, что доход электронной промышленности, рождение
которой состоялось только в 1950 г. и которая к 1956 г.
производила продукции лишь на 200 млн. долл., пре¬
высил в 1985 г. 15 млрд, только по одним микро¬
схемам. Это, конечно, только один сектор, а если же
рассмотреть в целом рынок электроники, то его общий
оборот к 1985 г. превысил 800 млрд, долларов.
Это сделало электронную промышленность одним из
самых больших секторов экономики с огромными
перспективами на будущее.
Как же эта новая промышленность и революция в
области микроэлектроники воздействует на общество?
Рассмотрим для начала наиболее фундаментальное при¬
менение микроэлектроники — в компьютерах. Большие
компьютеры успешно используются уже в течение многих
лет для обработки больших массивов информации, таких,
например, как вклады в национальные страховые компа¬
нии, налоги, начисление зарплаты, финансовые данные,
штатный состав компаний или правительственных уч¬
реждений. Хотя применение таких машин несколько по¬
низило число служащих, но неожиданно появились но¬
вые работы, связанные с подготовкой и вводом данных
в компьютер.
Такие вычислительные машины устанавливались до тех
пор, пока не появились микропроцессоры. Но появились
они только в больших организациях, так как их цена пре¬
вышала обычно 1 млн. долларов. Второй важной особен¬
ностью была автономность различных систем, и поэтому
не было необходимсти производить обмен информацией
146

между ЭВМ. Это обеспечивало в определенной степени
защиту информации от несанкционированного доступа,
поскольку особенности обеспечивающей части ЭВМ знали
только их операторы, а поэтому казалось невозможным,
что информация будет использоваться не по назначению.
Достижения в области микроэлектроники позволили
снизить стоимость ЭВМ и одновременно развить системы
связи. Последние уже теперь позволяют объеди¬
нить компьютеры в сеть и осуществить обмен данными
между ЭВМ. Такая вычислительная сеть обладает многи¬
ми достоинствами. В настоящее время уже существуют
технические возможности для создания широкомасштаб¬
ных сетей ЭВМ и их широкого применения для решения
научно-технических задач. Общество должно тщательно
изучить вопросы обеспечения достаточной защиты с по¬
мощью компьютеров личной свободы своих граждан
и эффективности вычислительных сетей для решения
административных задач.
В будущем супер-ЭВМ будут применяться в основном
для обработки больших объемов информации и решения
весьма сложных научных проблем. Однако во многих
других областях, где раньше требовалось использо¬
вание больших компьютеров, теперь с успехом решают
задачи микро-ЭВМ, хотя такие микромашины не могут по
своим возможностям сравниваться со своими старшими
собратьями. Они имеют тем меньший объем памяти,
чем больше ЭВМ, и могут работать только в однопрог¬
раммном режиме, тогда как большие машины могут
одновременно решать несколько задач. Однако низкая
стоимость микрокомпьютеров значительно покрывает их
недостатки. Малые машины целесообразно использовать
как персональные компьютеры. В США, где эта техноло¬
гия получила большое распространение, они продаются
населению, использующему микро-ЭВМ как домашние
компьютеры для ведения хозяйства и решения других
задач. Если к ним добавить дополнительные электрон¬
ные средства, называемые устройствами сопряжения или
интерфейсом, то микромашины могут управлять нагрева¬
тельной системой, для отпугивания воров моделировать
наличие людей в доме (для этого в случайном порядке
включается свет в комнатах, на телефонные звонки вы¬
даются ответы).
Подобные вычислительные системы могут, однако,
составить конкуренцию большим ЭВМ в сфере малого
10*
147

бизнеса. Деловые люди могут позволить себе купить
машину стоимостью в несколько тысяч фунтов, которая
поможет им эффективно решать повседневные задачи,
такие, как финансовые расчеты, управление запасами,
оплата налогов, а также выполнять роль секретаря. Наи¬
более очевидное применение машины в учреждении
связано с обработкой текста. Несмотря на значитель¬
ные возможности современных процессоров текста, они
не в полной мере удовлетворяют требованиям пользо¬
вателей. Слабой частью таких систем являются устройства
ввода (клавиатура) и вывода (принтер), т. е. механические
элементы. Микропроцессор и память быстро производят
обработку текста, и потому такие системы пред¬
ставляют собой идеальное средство для хранения масси¬
вов и записей, хотя объем их памяти значительно
уступает большим системам. В качестве интересного
примера можно привести применение микро-ЭВМ
в медицинской практике, где хранению подлежат
несколько тысяч историй болезни пациентов без права
доступа к ним других лиц, кроме врача. Вся эта ин¬
формация легко может быть обработана микро-ЭВМ, в
которой в качестве внешней памяти используются
гибкие диски. Врач перед беседой с пациентом мо¬
жет просмотреть его историю болезни, записанную
на гибкий диск, набрав фамилию пациента на кла¬
виатуре. При этом вся информация отображается
на экране дисплея. Во время беседы все детали
медицинских рекомендаций и предписаний могут быть
включены в компьютерный файл на гибком диске, и
затем информация на экране стирается. Все записи
после этого остаются в ведении врача, и они также
недоступны для других, как и файлы на перфокартах.
Такая система, будучи соответствующим образом запро¬
граммирована, позволит решать и другие задачи. Так,
например, при длительном лечении пациентов может
быть автоматизирована процедура выписывания рецеп¬
тов; машина может использоваться для диагностики бо¬
лезни, если в нее ввести ряд симптомов болезни и т. п.
Применение микрокомпьютеров все еще остается
на раннем этапе своего развития. В большинстве слу¬
чаев программное обеспечение, управляющее машиной,
не позволяет эффективно реализовать даже ее основные
функции. В связи с этим весьма актуально рассмот¬
реть такую часть микро-ЭВМ, как программные средства,
148

Хотя наше внимание и было привлечено к технологии и
разработке аппаратных средств, но для широкого при¬
менения по назначению различных приборов и систем
очень важным элементом микро-ЭВМ становится прог¬
раммное обеспечение. Производители полупроводнико¬
вых приборов основные усилия направили на выпуск
стандартных микросхем, имеющих небольшую стои¬
мость, которые могут использоваться в самых разнооб¬
разных приложениях, а вопросы разработки програм¬
мных средств остались прерогативой производителя
систем, который окончательно определял стоимость ком¬
пьютера.
В результате достижений в области развития аппа¬
ратных и программных средств ЭВМ микрокомпьютеры
становятся подручным инструментом бизнесменов и спе¬
циалистов. Следует отметить, что специалисты, как пра¬
вило, непосредственно используют вычислительные
системы. Так как доступ к информации в этом случае
осуществляется с помощью клавиатуры терминала, то
необходимость в секретаре, который готовит различные
документы и ведет записи, пропадает. Отсюда очевидно,
что постепенно необходимость в работе клерка может
исчезнуть. В результате этого каждому потребуется
изучение вычислительной техники по меньшей мере
на уровне пользователя, а если кто-либо захочет в полной
мере овладеть машиной, то он должен изучить ее также
на уровне программиста.
Для быстрого решения задачи обучения начали бурно
создаваться различные курсы по вычислительной технике
для бизнесменов, но очевидно, что такое обучение
необходимо проводить еще в школе.
Чтобы эффективно решить проблемы повсеместного
применения ЭВМ, необходимо создавать автоматизиро¬
ванные обучающие системы на основе компьютеров
и микроэлектронной технологии, которые следует широ¬
ко внедрять в учебных заведениях. В настоящее время
многие школы располагают вычислительными системами.
Уже разработан ряд проектов в этом направлении,
реализация которых поможет обучить всех детей школь¬
ного возраста применению ЭВМ. Важность этой проблемы
подчеркнута тем аспектом, что в школьные программы
вводится дисциплина «Основы информатики и вычисли¬
тельной техники».
В связи с этим возникает вопрос о дальнейшем
149

развитии технологии автоматизации обучения и ее исполь¬
зовании в учебном процессе. Микроэлектроника в
настоящее время широко применяется в этой области.
Конечно, необходимость в учителе не отпадет, так как
он располагает большой информацией и может оказать
большую помощь в обучении, но «интеллектуальные»
обучающие системы на основе микроэлектроники позво¬
ляют по-новому представить информацию, интерпрети¬
ровать ее, задать интересные вопросы, и их способности
в этом направлении непрерывно растут. Стоимость
аппаратных средств падает, и в настоящее время основ¬
ным препятствием к быстрому распространению микро¬
компьютерных систем стало недостаточное развитие не¬
обходимого для решения задач программного обеспе¬
чения.
Вернемся снова к вопросу о слиянии вычислитель¬
ной техники и техники связи. Для этого еще не подо¬
брали приемлемого термина, но французские ученые
уже ввели слово «телематика» в важном отчете Нора, в
котором нарисованы перспективы развития коммуникаци¬
онных систем во Франции. Французы были в этом
смысле удовлетворены, так как их техника связи дошла до
такой системы упадка, что нашел распространение
шутливый афоризм: «Половина Франции ожидает раз¬
говора по телефону, в то время как другая половина
ожидает телефонного звонка». Часто легче в таком слу¬
чае, по крайней мере политически, полностью заменить
существующую систему, чем сделать какую-то ее модер¬
низацию, как это происходит в Великобритании. Фран¬
цузы указали тот путь, по которому должна идти микро¬
электронная технология, а именно обеспечить каждого
потенциального пользователя интеллектуальным компью¬
терным терминалом, соединяемым друг с другом и
вычислительными центрами посредством новой телефон¬
ной сети. Основная причина такого развития состояла в
том, чтобы исключить напечатанные на бумаге теле¬
фонные счета, которые теперь хранятся в памяти ЭВМ
и легко корректируются. Министерство связи Франции
подсчитало, что целесообразнее предоставить своим
абонентам в ближайшие 5 лет терминалы, чем печатать
и рассылать такие счета.
Объединение домашних дисплеев с помощью теле¬
фонной сети открывает ряд новых возможностей, кото¬
рые уже частично реализованы во Франции, хотя терми-
150

Служба Prestel. Эта информационная система, разработанная фир¬
мой British Telecom, использует стандартные телефонные системы
для передачи данных. С помощью специального «модема» и средств
сопряжения можно отображать различную информацию на обычном
телевизионном экране. Служба Prestel позволяет передавать местную ин¬
формацию из серии «Что, где, когда», новости, сводку погоды,
рецепты от различных болезней и может даже принять заказ на
место в театре
налы, которые еще довольно дороги, покупаются от¬
дельно. Распределение информации, содержащейся
в центральной ЭВМ, не ограничивается только абонен¬
тами телефонной сети. Фирмой British Telecom созданы
большой информационный банк и система, известная под
названием Prestel и основанная на региональной сети
ЭВМ. Некоторые ее страницы включают рекламу, подроб¬
ные отчеты о наличии товаров на рынке, финансо¬
вую информацию, сведения о путешествиях, наличии
мест на самолеты и т. п. Эта служба только недавно
начала работать, но уже предоставляет в распоряжение
пользователей несколько сотен страниц информации, и по
мере увеличения числа абонентов ее информационные
возможности будут возрастать.
Система Prestel предназначена в первую очередь
для приема визуальной информации, но при наличии
соответствующего терминала может передавать и элект¬
ронные письма через телефонную сеть. Подобные систе¬
мы уже широко используются в деловом мире. Конечно,
такое письмо написано не на бумаге, а отображается
в виде текста на дисплее, после чего оно может
быть записано на гибкий диск. Для передачи финан¬
совой информации можно использовать ту же техно¬
151

логию путем запроса кредита или оплаты товаров в ма¬
газине через банк. Может показаться, что это будет толь¬
ко в будущем, но уже в настоящее время исполь¬
зуются банковские терминалы «Cashline» и «Au+oteller».
С их помощью пользователь может непосредственно
связаться с большой ЭВМ главной конторы банка и
распорядиться своим счетом для получения наличных
денег. Домашний терминал не позволяет таким же обра¬
зом изъять часть вклада, но (в силу того, что он
является частной собственностью) позволяет реализовать
более сложные операции, такие, как передача фондов
без необходимости оплачивать счета наличными деньга¬
ми. Это — начало общества, где нет необходимости пла¬
тить деньги через кассу.
Передача информации не ограничивается только
домашними терминалами. Старые кассовые аппараты,
называемые терминалами для оплаты товаров, которые
в настоящее время автоматически вычисляют стоимость
купленных товаров и получают данные, поступающие за¬
тем в систему управления запасами, также можно до¬
статочно просто подключить к банковской вычислительной
сети. Суммарные счета могут при этом непосредственно
начисляться без использования чеков и кредитных карто¬
чек. Объективные предпосылки для создания таких пря¬
мых дебетных систем уже существуют. Здесь возника¬
ет, правда, одна проблема, связанная с тем, что у по¬
купателя нет денег для оплаты товара. Что должен
делать в этом случае кассир, если ЭВМ сообщает ему о
некредитоспособности покупателя? Здесь, конечно, есть
некоторое затруднение, но это значительно лучше, чем
неожиданные выводы о покупателе и отказ в приеме чека
банком. Можно предложить постепенную оплату, как это
имеет место с кредитными карточками, что повысит
интерес к этой форме расчета для большей части
населения. Для адаптации к новым условиям, возможно,
придется некоторое время параллельно с электронной
передачей фондов сохранить и обычные кассовые терми¬
налы.
Эти примеры показывают, что объединение компью¬
теров и систем связи приводит к резкому улучшению
возможности хранения и передачи информации. Анализ
показывает, что только на основе микроэлектроники мож¬
но реализовать эти возможности. Почтовая служба,
информационно-поисковые системы, системы связи будут
152

Электронная передача фондов. Электронные кассовые тер¬
миналы, работающие каждый день 24 ч в сутки, включая
субботу и воскресенье и выходные дни в банке, расположены
сейчас во всех больших и малых городах Великобритании. Такой
терминал под управлением микропроцессора обеспечивает пря¬
мую связь с центральной базой данных интересующего вас бан¬
ка и может оперативно выдать финансовую информацию.
Для этого нужна персональная кредитная карта, идентифи¬
цирующая пользователя, и ввод персонального кода, извест¬
ного конкретному лицу
интегрированы для передачи любого вида информации.
Поэтому часто, имея в виду развитие этой техники,
говорят, что будущее общество станет информационным.
Это, конечно, не случится сразу — сдвиги будут постепен¬
ными, и в различных странах с различной скоростью.
Главное внимание должно быть сосредоточено на за¬
153

щите информации от несанкционированного доступа. Это
не простая задача, и прежде чем в строй повсеместно
войдут новые информационные сети, необходимо ее
решить. Законодательство по защите данных было приня¬
то в США и некоторых европейских странах. Уровень
защиты может быть разным, но она закрепляет право че¬
ловека знать, какие сведения о нем хранятся в раз¬
личных организациях. В Великобритании специальный ко¬
митет разработал рекомендации по организации госу¬
дарственной службы защиты данных.
До этого рассматривались вопросы скорее коммер¬
ческого характера, но важным элементом английского
общества является промышленное производство, которое
создает материальную основу для поддержки других
сфер деятельности. Влияние микроэлектроники на этот
сектор экономики будет не менее существенным, что уже
понимают правительства разных стран. В большин¬
стве промышленно развитых стран уже введены раз¬
личные программы, которые ориентируют промышлен¬
ность на микроэлектронную технологию и направляют
капиталовложения для реализации начального этапа.
В Англии разработан проект применения микропроцес¬
соров, который предназначен для решения трех главных
задач: первоначальная подготовка, анализ осуществимос¬
ти и поддержка проекта. Он допускает развитие произ¬
водств и технологических процессов в двух различных
направлениях, которые, в свою очередь, порождают сот¬
ни других проектов на различных уровнях. В сфере
производства товаров, как уже говорилось, необходимо
повысить их качество путем использования микроэлектро¬
ники везде, где это возможно, но без увеличения
стоимости. Создаются также новые изделия, такие, как
калькуляторы, телевизионные игры, радиоприемники, ви¬
деомагнитофоны и т. д. Новые и модернизированные
терминалы, такие, как терминалы для оплаты товаров
и удаленные терминалы для продавцов, используют по¬
следние достижения в области технологии и во все боль¬
шей мере обеспечивают доступ человека к компьютеру.
Применение микроэлектроники не ограничивается
классическими электронными изделиями, но частично
имеет место и в механических приборах и установках.
В качестве наглядного примера можно привести элект¬
ронный микрометр. Традиционный механический микро¬
метр, представляющий собой небольшой измерительный
154

инструмент, предназначен для точных измерений
линейных размеров различных предметов в инже¬
нерной практике. Однако неудобство считывания показа¬
ний на специальной нониусной шкале приводит иногда
к ошибкам. Достоинство электронного микрометра со¬
стоит в том, что он имеет более высокую точность
и результаты измерений отображаются в цифровой
форме на небольшом экране. Это практически исключа¬
ет ошибки считывания и допускает использование прибо¬
ра менее квалифицированным персоналом. Разработка
этого измерительного прибора позволила осветить одну
из главных проблем, с которой сталкивается тради¬
ционное производство при внедрении микроэлектроники.
Компания, которая выпускает такой прибор, является
одим из ведущих изготовителей измерительных инстру¬
ментов в Великобритании и имеет большой опыт в
разработке механических изделий. Но электронный ми¬
крометр потребовал привлечения специалистов микро¬
электроники, оптики и механики. Начальный этап разра¬
ботки прибора был выполнен консультантами, но когда
необходимо было изготовить прибор в заводских услови¬
ях, целый отдел компании должен был пройти пере¬
подготовку для получения соответствующей квалифика¬
ции и новых трудовых навыков. Хотя этот частный при¬
мер связан с преобразованиями только в одной компа¬
нии, специализирующейся на выпуске механических изде¬
лий, но он иллюстрирует общее направление, в котором
должно идти производство в условиях конкуренции.
Для этого требуется совершенное управление, учет
достижений науки, энтузиазм в исследовании но¬
вых возможностей, которые может обеспечить микро¬
электроника, и квалифицированный персонал.
Второй аспект производства связан с управлением
технологическими процессами. Микроэлектроника здесь
в первую очередь найдет применение в различных дат¬
чиках для измерения некоторых параметров процесса,
затем в виде средств обработки собранной микропро¬
цессорами информации и, наконец, в управлении с
помощью централизованных или распределенных ком¬
пьютеров, что обеспечит выпуск изделий более высокого
качества, более надежных и по более низкой цене.
Микроэлектроника позволяет проводить более точное
управление на различных этапах технологического про¬
цесса с экономным использованием дорогостоящих энер-
155

Электронный микрометр. Измерительный прибор MICRO
2000 позволяет инженеру быстро, надежно и с высокой
точностью провести измерения длины предметов в диапазоне
от 0 до 2,5 см с точностью 1 мкм. Измерительня система
базируется на методе Мойра, в соответствии с которым электрон¬
ным образом обнаруживается контур и специальный чип
производит вычисления. Число подсчитанных таким образом
шагов прямо пропорционально измеренному расстоянию. При
этом микросхема формирует специальные сигналы для отобра¬
жения результата на электронном дисплее
гетических ресурсов, обнаружением уже на ранних эта¬
пах различных производственных дефектов и строго сле¬
довать технологии. Анализ информации в реальном
масштабе времени на большом промышленном предпри¬
ятии, таком, например, как нефтеперерабатывающий
завод, позволит осуществить оперативное управление,
которое отслеживает все изменения в производственном
цикле и своевременно корректирует их без снижения
объема выпуска продукции.
Микроэлектроника может также обеспечить повыше¬
ние качества изделий путем автоматизации техническо¬
го контроля. Применение более сложного испытатель¬
ного оборудования повысило требования к квалификации
обслуживающего персонала. Так, например, вместо про¬
ведения многочисленных механических измерений раз¬
мерами каждого компонента можно теперь непрерывно
управлять в процессе производства изделия, а изме¬
рения проводить с помощью микропроцессорной систе¬
мы.
Этот пример высвечивает одну все возрастающую
проблему, о которой говорилось выше, а именно:
156

применение компьютеров или микрокомпьютерной
технологии требует капиталовложений в разработку
программных средств и подготовки соответствующих
высококвалифицированных специалистов. Подсчитано,
что в США для создания программного обеспечения
для ЭВМ теми методами, которые применяются сейчас,
к 2000 г. потребуется йоловина населения! Этот прогноз
предполагает, что будут использоваться только те ме¬
тоды разработки ПО, которые известны сейчас. Но
такая ситуация, очевидно, изменится. Однако уже сей¬
час большинство компаний, занятых проектированием
технологически сложного электронного оборудования, и
исследовательских лабораторий тратит много усилий на
создание программных средств.
Главная задача на сегодня — это выпуск требуемого
количества инженеров — специалистов по электронике и
техников, которые позволят направить производство по
новому пути. Этому могут помочь специальные постанов¬
ления правительства, но действительно эффективное ее
решение должно опираться на школу, которая должна
стать более восприимчивой к основным концепциям
этой технологии.
Вернемся снова к промышленности. Широкомасштаб¬
ная компьютеризация ее уже проводится во многих
областях, что является первым этапом полной автома¬
тизации. На втором этапе должно быть исключено
вмешательство человека во многие процессы и исполь¬
зованы роботы для выполнения повторяющихся опера¬
ций. Возможности робототехники были оценены давно, и
исследования в этой области науки и техники уже про¬
водятся в течение ряда лет. По мере развития микро¬
электронной технологии разработке роботов будет уде¬
ляться все большее внимание. Сейчас же функции робо¬
тов, применяемых в промышленности, весьма ограни¬
ченны. Они, как правило, выполняют простые операции
типа сварки и окраски. Более сложные системы поз¬
воляют захватывать объект и переносить его в определен¬
ное место. Однако никакого большого интеллекта не нуж¬
но, чтобы сортировать компоненты или выносить альтер¬
нативные решения, если, скажем, болт оказался перевер¬
нутым. В ближайшее время роботам будет придано
искусственное зрение и уровень их интеллекта значитель¬
но возрастет, когда они будут буквально напичканы
микропроцессорами. Необходимо проделать еще боль¬
157

шой путь от робота «Доктор Кто», хотя возможности
собаки-робота, такой, как К9, полностью соответствуют
современной технологии. Применение роботов, как и
введение оборудования, управляемого микропроцессо¬
рами, окажет драматическое влияние на уровень заня¬
тости и вызовет необходимость в специалистах более
высокой квалификации. На самом высоком уровне (уров¬
не проектирования) сложность процессов все более
возрастает, но здесь оказывают помощь компьютеры. На
самом нижнем уровне (уровне производства и ремонта)
автоматизация будет опираться на ЭВМ, а позднее будут
широко применяться роботы. Эти тенденции лишь слегка
отличаются от линии технологического прогресса,
который имел место в течение последних лет.
По мере роста степени автоматизации все в мень¬
шей мере будет использоваться физический труд и вни¬
мание людей будет направлено в основном в сферу
обслуживания. Богатство общества будет создаваться
новейшим автоматическим производством и информаци¬
онной индустрией. Однако требуется дальнейшее совер¬
шенствование и сферы обслуживания, включая медицин¬
ское обслуживание и развлечения.
Быстрый прогресс в области микроэлектронной техно¬
логии затрудняет достаточно точный прогноз относитель¬
но времени жизни современных профессий. Можно толь¬
ко предполагать, что в следующие 10 лет микроэлектро¬
ника вызовет существенные и далеко идущие изменения
в нашем образе жизни и в нашей работе. Так,
например, охват компьютеризацией газетного дела при¬
ведет к новым достижениям в области телевидения и
информационных систем, таких, как Ceefax, Oracle и Pres¬
tel, а развитие видеозаписи неизбежно вызовет новые
изменения в газетной индустрии. При этом в отличие
от сегодняшних будущие газеты станут электронными но¬
востями, которые передаются местным компьютером по
мере поступления сведений из любой точки мира и
принимаются дешевыми малогабаритными телевизион¬
ными приемниками через спутники связи.
Точка зрения, что технологические достижения бу¬
дут создавать недостаток рабочих мест (на уровне от¬
дельного человека), необязательно совпадает с точкой
зрения, что они приведут к безработице (на националь¬
ном уровне). История показала на опыте сельского
хозяйства и промышленной революции, что, хотя еще воз¬
158

можен недостаток рабочих мест и состояние занятости
в различных областях народного хозяйства изменилось,
общий уровень занятости в национальном масштабе вы¬
ровнялся. Таким образом, хотя современная технология
и будет неизбежно создавать подобные недостатки, но в
национальном масштабе они уравновешиваются новыми
тенденциями распределения рабочих мест и, в частности,
появлением их в сфере образования и отдыха.
Наступит, наверное, такой день, когда богатство нации
будет измеряться суммой знаний всех членов общества,
а не количеством сырья для промышленности. Сможет ли
современная структура общества приспособиться к изме¬
нениям, которые происходят уже сейчас, и, в част¬
ности, к быстроте этих изменений — вот вопрос фунда¬
ментальной важности, и он будет обсуждаться, вероятно,
еще многие годы.
Какой же тип общества можно себе представить как
результат микроэлектронной технологии? Конечно же, не
всеобъемлющее крушение, как предсказывают некото¬
рые футурологи. С технической точки зрения основные
достижения будут связаны с интеграцией техники пере¬
дачи и обработки информации, которая и сформирует
Информационное общество, где такой товар, как «ин¬
формация», подлежит продаже в более явной форме,
чем сейчас. Промышленное производство будет, естест¬
венно, выпускать товары, требуемые обществу. При этом
микроэлектроника внесет, как уже отмечалось, в произ¬
водство свой заметный вклад, что приведет к новому
поколению товаров. Электронная промышленность будет
предъявлять все более высокие требования к квалифи¬
кации работников. Она также постоянно будет бросать
вызов сфере управления и образования.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию	 5
Предисловие	 9
Введение 	 9
Дж. Мейвор. Микроэлектроника: современное состояние	12
Дж. М. Робертсон. Производство микроэлектронных схем	26
Р. Г. Келли. Микроэлектроника и микропроцессор	44
Г. Г. Когхилл. Компьютеры дома и на работе .	67
М. А. Джек. Микроэлектроника в потребительских товарах .	85
Р. Д. Л. Мэкки. Микропроцессоры в системах управления техно¬
логическими процессами	  .	111
Дж. Р. Джордан. Микроэлектроника и надежность	124
А. Д. Майли. Микроэлектроника и ее влияние на общество .	140
Научно-популярное издание
МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОБЩЕСТВО.
Сб. статей под редакцией Мервина А. Джека
Перевод с английского В. А. Свириденко
Главный отраслевой редактор Л. А. Е р л ы к и н
Редактор Б. М. Васильев
Мл. реактор Л. В. Бурханова
Художник И. А. Емельянова
Худож. редактор П. Л. Храмцов
Техн, редактор А. М. Красавина
Корректор Н. Д. Мелешкина
ИБ № 7054
Сдано в набор 31.10.86. Подписано к печати 17.06.87, Формат бумаги 84x108'/j2>
Бумага кн.-журнальная. Гарнитура жарнально-рубленая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 8,40.
Усл. кр.-отт. 17,22. Уч.-изд. л% 8,62. Тираж 50 000 экз. Заказ 11730. Цена 50 коп.
Издательство «Зание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс
заказа 877713. Набрано в Саратовском ордена Трудового Красного Знамени
полиграфическом комбинате Росглавполиграфпрома Государственного комитета РСФСР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, г. Саратов, ул. Чернышевского, 59.
Отпечатано с диапозитивов в типографии издательства «Коммунист», 410002, г. Саратов,
ул. Волжская, 23.