Беседы о поколениях ЭВМ

Н. Бусленко, В. Бусленко

©   Издательство "Молодая гвардия", 1977 г.

Все настойчивее вторгаются электронные вычислительные машины в науку и в народное хозяйство. О зарождении этих машин, принципе их действия, их развитии и влиянии на жизнь человека расскажут член-корреспондент АН СССР Н. Бусленко и его сын кандидат технических наук В. Бусленко.

- В последнее время проскальзывают сообщения об ЭВМ четвертого поколения. Что же отличает их от машин предыдущих поколений?

- Вы должны были уже заметить, что трамплином для очередного скачка в развитии вычислительной техники всегда оказывался переход на новые элементы.

- Наверное, и на этот раз электроника преподнесла нам очередной сюрприз!

- Формально как будто не произошло ничего особенного. Просто повысилась степень интеграции электронных схем: появились большие интегральные схемы, сокращенно - БИС!

Это техническое новшество вряд ли способно потрясти воображение неискушенных. Но оно приводит к столь поразительным переменам в возможностях ЭВМ, что перед ними блекнут все предыдущие "перевороты" в вычислительной технике. ЭВМ четвертого поколения невозможно удержать в рамках только технического применения. Они вторгаются во все области науки и техники и потенциально способны оказать заметное влияние на многие стороны жизни и быта людей. Но об этом позже. А сейчас важно понять, что же такое БИС.

Большая интегральная схема - прямой потомок простой интегральной схемы, которая является основным элементом ЭВМ третьего поколения. Нет даже необходимости выдумывать новый термин - это та же интегральная схема, но большая, большая, конечно же, не по размерам. Велика степень интеграции этой схемы, поскольку в одном-единственном монокристалле размером, например, 5 х 5,2 миллиметра объединено около 45 тысяч элементов. Для сравнения заметим, что обычный телевизор имеет всего около тысячи таких элементов. Вот что означают слова "схема большой интеграции"!

Естественно, возникает вопрос, как же удалось уместить в столь ничтожные размеры такое количество электронных элементов? Иными словами, что за чудодейственная технология рождает подобные шедевры миниатюризации? Читатель не удивится, если узнает, что здесь на выручку человеку приходит опять его верный помощник - ЭВМ.

Процесс изготовления большой интегральной схемы выглядит следующим образом. Пусть имеется принципиальная электрическая схема БИС. Она кодируется и вводится в ЭВМ. Машина разрабатывает детальную структуру сопряжения всех взаимодействующих частей схемы. Вспомнив о 45 тысячах элементов, легко понять, что человеку вручную это сделать просто не под силу.

Далее ЭВМ переходит к так называемой топологии БИС, то есть к определению конфигурации и взаимного расположения элементов на поверхности кристалла. По топологии автоматически строится набор фотошаблонов, охватывающий всю создаваемую схему. Фотошаблон, уменьшенный до размеров будущей схемы, тиражируется в нужном числе экземпляров и служит основой для создания рабочих фотошаблонов - матриц, непосредственно воздействующих на кристалл. Полученные матрицы фотошаблонов направляются в зону изготовления БИС.

В зоне изготовления над кристаллом производятся наиболее ответственные операции. На него наносится специальный светочувствительный слой - фоторезист, который засвечивается через фотошаблон. Затем полученный "негатив" проявляют и, удалив засвеченные участки, в образовавшиеся в фоторезисте "окошки" вводят необходимые примеси. После отжига проводят аналогичные операции над этим же кристаллом, но с помощью других фотошаблонов. Каждый шаблон отвечает за свою группу первичных элементов БИС или определенный набор ее функций. Есть среди них фотошаблон, формирующий специальные участки алюминиевого покрытия для соединительных цепей сложной конфигурации.

Заканчиваются эти операции нанесением защитного слоя, резкой кристалла на отдельные БИСы, установкой их в корпуса и герметизацией.

Автоматическая технология позволяет обеспечить высокую точность параметров БИС. Допустимые погрешности в размерах и конфигурации отдельных зон на поверхности кристалла измеряются десятимиллионными долями миллиметра. Количество вводимых примесей дозируется с точностью до миллиардных долей процента. Тепловые режимы - до сотых долей процента. Чистота воздуха в зонах работы оборудования, создающего БИСы, должна составлять не более 3-4 пылинок на кубический метр воздуха.

По сравнению с интегральными схемами эпохи ЭВМ третьего поколения БИСы обладают большей надежностью, значительно меньшими размерами, весом и потребляют меньше энергии. Особенно следует подчеркнуть снижение стоимости - прямой результат автоматической технологии и высокой серийности выпускаемых образцов (операции производятся сразу над сотнями кристаллов).

Известны следующие данные: в эпоху ЭВМ второго поколения устройства, содержащие порядка ста тысяч первичных элементов, стоила около миллиона рублей, для ЭВМ третьего поколения эта стоимость снизилась до нескольких тысяч, для БИСов она не превышает нескольких тысяч рублей.

Большие интегральные схемы стали первичными электронными элементами, серийно выпускаемыми промышленностью. Прибор на одном монокристалле является функциональным узлом, заменяющим собой десятки тысяч диодов, транзисторов, резисторов, сотни интегральных схем.

Один-единственный кристалл может выполнять функцию сумматора, счетчика, регистра сдвига либо другого узла ЭВМ. Но и это не предел. Довольно скоро научились создавать большие интегральные схемы, способные заменять целые устройства. Представляете себе устройство управления ЭВМ на одном монокристалле! Или процессор размером с пятикопеечную монету!

Трудно не поддаться волнению, сравнивая их с процессорами ЭВМ на электронных лампах 50-х годов, занимавшими сотни квадратных метров и требовавших воздушного и водяного охлаждения!

Создаются БИСы со все более и более широкими функциями, имеющие все более общее назначение. Сейчас почти любой самостоятельный электронный прибор, например, радиоприемник или телевизор, может быть выполнен на одной интегральной схеме, реализованной в одном монокристалле.

Перспективнейшим направлением в этой области является разработка программно-управляемых больших интегральных схем, функции которых меняются в зависимости от программы, тоже "напыляемой" на отдельном кристалле. Такая интегральная схема состоит из "операционной" части - функционального элемента универсального назначения - и программы в "твердом виде". Ввод программы настраивает большую интегральную схему на определенный класс операций и сообщает ей конкретную ориентацию. Одна и та же БИС может служить и арифметическим устройством ЭВМ, и устройством управления, и радиоприемником, и телевизором - все зависит от того, какую программу в нее ввели. Здесь появляются возможности для дальнейшей унификации производства больших интегральных схем и снижения их стоимости.

Развитие этого направления привело к созданию так называемых микропроцессоров, построенных на одном или всего на нескольких монокристаллах и содержащих в единственном миниатюрном приборчике арифметическое устройство, устройство управления и оперативную память ЭВМ. Наличие микропроцессоров позволяет собирать из стандартных однотипных элементов электронные системы самого широкого назначения: вычислительные, управляющие, регистрирующие информацию, обеспечивающие ее переработку и хранение.

Таким образом, "простое" увеличение степени интеграции электронных схем на монокристаллах приводит к серьезным сдвигам в вычислительной технике и радиоэлектронике вообще!

Возможность разместить в одном кристалле десятки тысяч электронных элементов позволяет уже сейчас создать весьма миниатюрный компьютер - компьютер на одном кристалле! Ну, может быть, не на одном, а на двух-трех, однако суть остается верной: вычислитель, по мощности близкий к средним ЭВМ второго-третьего поколения, вполне помещается в кармане.

Сегодня карманными вычислительными машинами уже никого не удивишь. На прилавках магазинов их целые коллекции! Но машина машине рознь! Карманные калькуляторы, выполняющие четыре арифметических действия, создавались на элементах не только третьего поколения, но даже второго. Однако только большие интегральные схемы позволили от простейших калькуляторов перейти к карманным ЭВМ с программным управлением и наладить их массовое производство.

Отечественная промышленность выпускает немало таких машин. Например, микрокомпьютер "Электроника БЗ-18а" имеет размеры немного более карманной записной книжки. На передней панели ее располагается клавиатура и цифровое индикаторное табло на восемь десятичных разрядов, светящееся приятным зеленоватым цветом. Имеются клавиши для каждой из 10 цифр, для арифметических действий и некоторых специальных знаков. При нажатии на клавишу "=" на индикаторе высвечивается результат. Кроме того, переключив режим, можно заставить клавиши выполнять новые функции: тут синусы и косинусы, логарифмы и корни, степени и многие другие операции. Для вычисления исползуются весьма сложные, заранее запрограммированные алгоритмы. Скажем, расчет значений синуса ведется путем так называемого разложения в ряд Тейлора.

В памяти ЭВМ записаны необходмые константы, в том числе значения "пи"=3,141..., е=2,7... и т.д., можно ввести туда и свои собственные постоянные и хранить их как угодно долго.

Таким образом, "Электроника БЗ-18а" содержит в себе практически все части обычной большой ЭВМ: процессор с оперативной памятью, устройства ввода (клавиатуру) и вывода (индикаторное табло), а в постоянной памяти хранятся программы общим объемом 1152 команды. Надо все же заметить, что такую машину назвать компьютером в традиционном смысле можно только с некоторой натяжкой. От обычных универсальных ЭВМ она отличается тем, что в нее нельзя вводить программы по желанию пользователя.

Но, разумеется, никто не собирается заменять микрокомпьютерами с ограниченными средствами ввода-вывода и сравнительно бедным запасом программ настоящие универсальные ЭВМ третьего поколения, получившие названия мини-ЭВМ. Приставка "мини" означает лишь то, что размеры таких машин значительно уменьшились по сравнению со своими предшественниками, снизилась потребляемая энергия при сохранении прежней скорости вычислений и объема запоминающих устройств.

Мини-ЭВМ четвертого поколения - это машины средней производительности - порядка сотен тысяч операций в секунду. Габариты их вместе с устройствами ввода-вывода всех типов и внешней памятью, не превышают письменного стола. Например, отечественная вычислительная машина СМ-3 выполняет 350 тысяч операций в секунду. Она располагает оперативной памятью объемом 32 тысячи байт и позволяет подключать устройства внешней памяти на магнитных дисках и магнитных лентах. У нее есть устройства сопряжения с каналами связи, позволяющие подключать 256 терминалов, и устройства ввода-вывода любых типов, в том числе и экраны-дисплеи. Ее операционная система достаточно развита и весьма совершенна. Помимо основных функций управления вычислительным процессом, она способна обеспечивать режим разделения времени, управление "банками данных" и осуществлять разнообразный программный сервис.

Генеральный конструктор ЭВМ серии СМ - системы малых машин - член-корреспондент АН СССР Б.Наумов говорит: "Мини-ЭВМ четвертого поколения являются машинами массового применения. Они способны заменить ЭВМ третьего поколения практически во всех основных сферах: в управлении технологическими процессами, в АСУ предприятий и ведомств, в обеспечении инженерных расчетов широкого профиля, а также в библиотеках, справочных системах, регулировании уличного и воздушного движения, бронирования железнодорожных и авиационных билетов и т.д.".

И тем не менее они не в состоянии удовлетворить всех потребностей народного хозяйства, науки и техники. Вне сферы их деятельности остаются задачи уникальной сложности, требующие быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, и опреативных запоминающих устройств, способных хранить десятки миллионов машинных слов. А без таких ЭВМ нечего браться за современные задачи - задачи межотраслевого баланса в планировании и управлении народным хозяйством, за расчет оптимальных режимов функционирования сложных объектов ядерной энергетики, решать новые задачи аэродинамики и космической баллистики, моделировать фильтрационные процессы в единой системе газоснабжения страны. Кроме того, такими машинами должны комплектоваться крупные центры общегосударственной автоматизированной системы, современные комплексы научно-технического эксперимента.

Поэтому неудивительно, что, получив большие интегральные схемы, конструкторы ЭВМ направили свои усилия на создание высокопроизводительных вычислительных систем, обладающих быстродействием в сотни миллионов операций в секунду. Начались разработки, стали возникать новые проекты, появились лабораторные макеты и экспериментальные установки, развернулась работа по их испытаниям...

После длительных поисков и исследований удалось создать уникальные лабораторные макеты процессоров на БИСах с гигантским быстродействием. В печати появились сообщения о достижении скорости порядка 600-800 миллионов операций в секунду, стали поговаривать о достижении рубежа в один миллиард операций. Но оказалось, что ни один из построенных образцов не пригоден для серийного производства. Соображения экономической эффективности заставили отказаться от создания подобных ЭВМ. В чем же дело?

Оказывается, при современном состоянии техники достижение подобных скоростных рубежей находится на пределе возможностей электроники вообще. Здесь уже играют роль не инженерные решения, а химическая чистота материалов, однородность тела кристаллов, стабильность температурных режимов, взаимодействие электрических полей внутри кристалла и другие физические факторы.