Многие знают, что в России производятся процессоры «Эльбрус» и, исходя из мнений «диванных экспертов» делают ошибочные выводы о полной их непригодности. А между тем у «Эльбрусов» есть важнейшие критерии, по которым они превосходят процессоры AMD и Intel. В России есть компания МЦСТ (Московский Центр Спарк Технологий), которая занимается разработкой отечественных процессоров «Эльбрус». Их архитектура и система команд является полностью отечественной разработкой.
Многие в кавычках технические эксперты, с просторов интернета преподносят нам информацию о полной никчемности и бесполезности этих процессоров. Подходят к этому вопросу однобоко, оценивают только их производительность, и совершенно не рассматривают другие важные критерии. Ссылаясь на проведенные сравнительные тесты с устаревшими процессорами, например с одним из таких как Intel Core i7 2600, в которых «Эльбрусы» в несколько раз уступают ему по производительности, ставят крест на «Эльбрусах».
При этом абсолютно не задумываясь, что у них совершенно другое назначение, и разрабатывались они не для игры в World of Tanks. Или аргументируют свои выводы тем, что даже Сбербанк отказался от использования серверов на базе «Эльбрусов» по причине их недостаточной производительности.
И да, бесспорно, производительность у «Эльбрусов» крайне низкая, даже по сравнению с устаревшим Intel Core i7 2600. Так в чем же «Эльбрусы», учитывая, что они направлены на государственный и оборонный сектор, могут превосходить подобных монстров, как AMD и Intel?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, какое главное требование предъявляется к вычислительным системам, которые обслуживают государственный и оборонный сектор. Этим требованием будет информационная безопасность.
Дыры в безопасности процессоров AMD и Intel
А какая может быть информационная безопасность у вычислительных систем на процессорах AMD и Intel? Правильно, никакая. Если на этапе их проектирования и производства, компании могут беспрепятственно вносить в них аппаратные закладки любого назначения. А после распространения этих процессоров по всему миру, скрытно собирать необходимые данные. Закладка – это скрытно встроенный в процессор аппаратный инструмент, при помощи которого заинтересованные лица могут получить доступ к конфиденциальным данным или к дистанционному управлению компьютером.
Кроме того у процессоров AMD и Intel имеется еще и большое количество аппаратных уязвимостей внесенных непреднамеренно, они в этом плане дырявые как решето.
Компания AMD и Intel признают наличие в своих процессорах непреднамеренных уязвимостей, и постоянно публикуют об этом отчеты. А ведь это серверный сегмент, где безопасность информации святая святых. А насколько безопасно их можно использовать в оборонной сфере? А ведь это безопасность нашего государства.
Преимущества процессоров Эльбрус
В процессорах «Эльбрус», несмотря на то, что они производятся на производственных мощностях другого государства, Тайваньской компанией TSMC, вероятность внедрения «закладок» стремится к нулю. Поскольку компании TSMC не предоставляется вся документация на процессор, предоставляется только на фотошаблон. А определить по фотошаблону и по документации на него, как взаимодействуют миллиарды транзисторов между собой невозможно. А без понимания этого, не удастся разработать и внедрить в процессор какую-либо закладку. Кроме того в «Эльбрусах» используется технология «безопасных вычислений» позволяющая выявлять ошибки в ПО, которые могут использоваться как уязвимости. Аппаратная защита процессора обнаруживает подобные ошибки и блокирует возможность их исполнения. Так же высокую информационную безопасность обеспечивает и используемая для работы с «Эльбрусами» защищенная отечественная операционная система «Альт 8СП» и архитектура процессоров E2K, корни которой идут еще из СССР.
Основным отличием архитектуры E2K от других, является то, что распараллеливание потоков в ней осуществляется программным компилятором, который делает это значительно эффективнее, чем аппаратные компиляторы других архитектур. Поддерживает эта архитектура и ОС Windows, правда только в режиме эмуляции, преобразовывая коды «на лету» и теряя при этом до 30% производительности.
Таким образом, вычислительные системы, построенные на процессорах «Эльбрус» имеют все законные основания стать самыми надежными системами по обеспечению безопасности информации. И решение о выборе систем на «Эльбрусах» или на AMD и Intel, должно зависеть от того, какие критерии у пользователя в приоритете, общая производительность или информационная безопасность.
Многие скажут, что и в технологическом плане они значительно уступают другим процессорам.
Да, в некотором роде это так, техпроцесс, по которому будет производиться перспективный процессор «Эльбрус-16С» составит только 16 нм, а техпроцесс предыдущей версии «Эльбрус-8С» составляет 28 нм, что как в первом, так и во втором случае далеко до 7 нм процессоров AMD Ryzen. Но и этот недостаток, при некоторых обстоятельствах, например как при работе процессора в условиях ионизирующего излучения, вполне свойственного для оборонной сферы, оказывается преимуществом. Дело в том, что чем меньше физические размеры транзисторов процессора, тем меньше в них атомов вещества, и тем быстрее происходит разрушение их атомарной решетки под воздействием радиации. И напротив, более крупные транзисторы будут разрушаться медленнее, и работа процессора в целом под воздействием радиации будет более длительной.
Выводы
Таким образом, результатом всего вышесказанного является вывод, что процессоры «Эльбрус» предназначены для потребителя, у которого главным приоритетом является безопасность информации. К этой категории потребителей в первую очередь можно отнести государственный и оборонный сектор. И не корректно сравнивать «Эльбрусы» с процессорами AMD, Intel и другими. Это равносильно сравнению скоростей экскаватора и легковой машины, движущихся по дороге, и то и другое движется, но решаемые задачи абсолютно разные.
Про российские процессоры «Эльбрус» знают почти все, про «Байкал» знают многие, а про процессоры «КОМДИВ» знает мало кто. А между тем процессоры «КОМДИВ» уже давно используется в космической отрасли и оборонной сфере. Где они успешно заменяют процессоры AMD, Intel и другие зарубежные аналоги.
Линейка российских процессоров «КОМДИВ» - это семейство 32 и 64-разрядных процессоров, разработанных в НИИСИ (научно-исследовательском институте системных исследований) Российской Академии наук. Они используют набор команд MIPS и собственную MIPS-совместимую оригинальную архитектуру «Комдив». Имеют встроенные системный и периферийный контроллеры, кэш-память и другие необходимые функциональные узлы. И способны за один такт выполнять одновременно несколько инструкций, то есть являются суперскалярными.
Производство 32-разрядных процессоров «КОМДИВ-32» берет свое начало еще с 1999 года. Первые процессоры производились по 500 нм техпроцессу и работали на частотах 33-50 МГц, а начиная с 2016 года, перешли на 250 нм с тактовой частотой до 125 МГц.
С 2005 года началось производство 64-разрядных процессоров «КОМДИВ-64, первые из них производились по техпроцессу 350 нм и работали на частоте 120 МГц. А начиная с 2016 года, перешли на 65 нм и увеличили частоту до 1 ГГц. Максимальное количество их ядер соответствует двум.
В 2019 году был выпущен уже 28 нм двух ядерный процессор под обозначением (1890ВМ118) работающий на частоте 1,3 ГГц и имеющий на своем «борту» встроенное 3D-видеоядро.
Процессоры «КОМДИВ» с технормами ниже 250 нм производятся, как и в случае с процессорами «Эльбрус» на производственных мощностях Тайваньской компании TSMC.
Данные процессоры являются узкоспециализированными, и в первую очередь предназначены для использования в космической отрасли и оборонной сфере. А также они решают важнейшую задачу по замещению зарубежных процессоров в этих стратегически важных сферах, требующих надежной, гарантированной безопасности информации. Естественно, что использование зарубежных процессоров создает серьезную предпосылку к утечке важной государственной информации. Поэтому замещение их на отечественные процессоры является важной государственной задачей.
Одним из основных преимуществ процессоров «КОМДИВ» является способность работать в очень широком диапазоне температур, от -60 до +125 °С. Чем не может похвастаться ни один зарубежный аналог, а уж тем более таких рабочих температур не могут предложить ни процессоры AMD, ни Intel. Такой широкий диапазон температур позволяет строить на процессорах «КОМДИВ» защищенные вычислительные системы для эксплуатации в экстремальных условиях, например, в арктическом климате. Примером такой вычислительной системы является система «Восход», в которой используется модель процессора (1809ВМ8Я).
Вычислительная система "ВОСХОД"
Отличительной особенностью вычислительной системы «Восход», да и вообще архитектуры процессоров «КОМДИВ» является способность объединять их в кластеры с общим числом ядер более тысячи. Это позволяет создавать сверхмощные системы для решения ресурсоёмких задач.
Процессоры «КОМДИВ» имеют довольно короткую длину конвейера, которая составляет 7 стадий, такой короткий конвейер обеспечивает высокое быстродействие процессоров. Дело в том, что во многих современных процессорах длина конвейера достигает 14 стадий. При прерываниях конвейер «разрушается», быстродействие процессоров при этом падает, и чем длиннее конвейер, тем сильнее падает быстродействие. Поэтому в процессорах «КОМДИВ» применяется минимально возможная длина конвейера.
Многие модели процессоров «КОМДИВ» имеют радиационную стойкость, то есть имеют высокую устойчивость к повреждениям и сбоям в работе под воздействием высоких уровней ионизирующего излучения.
Их радиационная стойкость не меньше, чем 200 крад, чего и не снилось процессорам AMD и Intel, и другим зарубежным аналогам. Используются радстойкие модели процессоров в космической отрасли, например, в бортовых компьютерах спутников «ГЛОНАСС-М».
Модель процессора «КОМДИВ-64» (1890ВМ5Ф) применяется в БЦВМ (бортовая цифровая вычислительная машина) информационно – управляющих систем современных российских истребителей Су-34 и Су-35.
Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) на процессоре 1809ВМ5Ф
И это лишь только некоторые примеры. А многие говорят, что в России нет своей микроэлектроники.
Работают процессоры «КОМДИВ» под управлением специализированной операционной системы «БАГЕТ» (операционная система реального времени), разработанной все тем же НИИСИ Российской Академии наук. Отличительной ее особенностью от других операционных систем, например таких, как Windows и Linux, является способность мгновенно реагировать на внешние события, а не на действия пользователя. То есть, основная область ее применения – это автоматизированные системы, которые используются и на космических спутниках, и в современных самолетах.
А для тех, кому интересно что обозначает аббревиатура «КОМДИВ», сообщаем – это «КОМпьютер Для Интенсивных Вычислений» и ничего общего с должностью командира дивизии она не имеет.
Российский ассортимент процессоров не заканчивается на процессорах «Эльбрус», «Байкал» и «Комдив». В различных сферах так же широко используются «цифровые Кентавры», процессоры «Мультикор» компании АО НПЦ «ЭЛВИС». Разбираемся, на что они способны, где применяются и почему они Кентавры. Российский ассортимент процессоров не заканчивается на процессорах «Эльбрус», «Байкал» и «Комдив». В различных сферах так же широко используются «цифровые Кентавры», процессоры «Мультикор» компании АО НПЦ «ЭЛВИС». Разбираемся, на что они способны, где применяются и почему они Кентавры.
Устройство и история развития
«Мультикор» (Muiticore) – серия многоядерных 32 и 64-битных процессоров компании АО НПЦ «ЭЛВИС» (Электронные вычислительно-информационные системы). Процессоры «Мультикор» предназначены для встраиваемых применений, их производство было начато в 2004 году по техпроцессу 250 нм с тактовой частотой 80 МГц. К 2020 году техпроцесс уменьшился до 16 нм, а тактовая частота поднялась до 1,8 ГГц. Количество процессорных ядер с 1 увеличилось до 8, и DSP-ядер до 16. Из названия «Muiticore» итак понятно, что процессоры имеют многоядерную архитектуру. В ней применяется два типа ядер: RISC и DSP. Ядра RISC используют сокращенный набор команд, благодаря чему их декодирование является достаточно простым и быстрым, что увеличивает быстродействие процессора в целом. Они выполняют функцию центрального процессора и управляют 32-битными высокопроизводительными DSP-ядрами, которые исполняют роль ускорителя-акселлератора для цифровой обработки сигналов. Аббревиатура DSP означает Digital Signal Processor – Цифровой Сигнальный Процессор.
Подобное совмещение в одном процессоре двух разных классов устройств: микроконтроллеров на базе RISC-ядер и цифровых процессоров обработки сигналов (DSP), позволяет процессору эффективно решать сразу две задачи: управления и высокоточной цифровой обработки сигналов. Диапазон рабочих температур составляет от -60 до +85°C.
Почему процессоры «Мультикор» цифровые Кентавры
Теперь поясню, что есть общего между процессором «Мультикор» и мифическим существом Кентавром, получеловеком-полуконем с буйным нравом. Ядра процессора RISC подразумевают интеллектуальную часть (человеческая голова Кентавра), она управляет DSP-ядрами (лошадиные ноги Кентавра). В результате такого совмещения (RISC-ядро + DSP-ядро) и возник этакой цифровой Кентавр, способный одновременно и интеллектуально мыслить и быстро бегать.
Область применения
Процессоры «Мультикор» применяются в различных областях: космос, связь, телекоммуникация, искусственный интеллект, навигация, промышленные компьютеры и др. Моделей процессоров не так уж и мало, их насчитывается более 30. Каждый модельный ряд предназначен для использования в определенной области.
Имеется ряд и радиационно-стойких процессоров «Мультиборт» предназначенных для космической отрасли с радиационной стойкостью не менее 300 крад, как например, у модели процессора 1892ВМ12АТ. Это даже больше, чем у процессоров «КОМДИВ».
Есть и модель энергоэффективного процессора для мобильного применения 1892ВА018 "Скиф", он же «Scythian». Он состоит из 4-х ядер CPU ARM Cortex-A53 с тактовой частой 1,8 ГГЦ, графического процессора GPU PowerVR, имеется встроенная поддержка нейросетей и шифрования благодаря двум ядрам ELcore-50 разработки НПЦ «Элвис»; навигация с поддержкой ГЛОНАСС/GPS и многое другое.
На этих процессорах планируется к концу 2022 года начать производство планшетов, в дальнейшем и смартфонов, которые смогут работать под управлением российской операционной системы (ОС) «Аврора». По утверждению руководства компании АО НПЦ «ЭЛВИС» производительность планшетов с процессором 1892ВА018 «Скиф» будет на уровне Lenovo Tab M10 Plus TB-X606F (2020) и Samsung Galaxy Tab A10.1 SM-T515 (2019).
На его предшественнике, процессоре 189ВМ14Я продемонстрирован прототип планшета, работающий под управлением ОС «Sailfish Mobile OS RUS», предшественницы ОС «Аврора».
Разработка операционной системы «Аврора»
Краткая история перерождения ОС «Sailfish Mobile OS RUS» в ОС «Аврора» такова. В 2015 году, проект развития ОС, которая называлась «Sailfish OS», перешел под крыло России. В 2016 году, после ее доработки российскими специалистами она получила название «Sailfish Mobile OS RUS» и была зарегистрирована в реестре отечественного ПО. Через два года этот проект вызвал интерес у телекоммуникационного гиганта «Ростелеком» и был им приобретен. После дальнейшего развития этой ОС, в 2019 году она получила новый бренд «Аврора» и была зарегистрирована в Роспатенте, а также прошла сертификацию в ФСТЭК и ФСБ России.
Так выглядит графическая оболочка операционной системы "Аврора"
Отличительной особенностью ОС «Аврора» является управление при помощи жестов, все действия с ОС производятся перелистыванием экрана. Распознаваемых жестов достаточно много и их нужно запоминать.
ОС содержит инструменты криптографической защиты и контроль целостности загрузчика, файловой системы и других компонентов, если их целостность будет нарушена, то устройство заблокируется. ОС «Аврора» предназначена для государственных и коммерческих организаций, у которых приоритетом является высокая информационная безопасность. Под ее управлением могут работать мобильные устройства использующие процессоры «Мультикор».
Где производятся процессоры «Мультикор»
В России производством микропроцессоров занимается компания «Микрон», и освоенный ей передовой техпроцесс на сегодняшний день составляет 90 нм. А техпроцесс 65 нм еще находится на стадии освоения. Поэтому производство части процессоров для АО НПЦ «ЭЛВИС» с топологией 90 нм и более осуществляет она. А производство процессоров с топологией менее 90 нм и некоторых моделей с топологией 90 нм и более, осуществляется на производственных мощностях Тайваньской компании TSMC.
Продукция АО НПЦ «ЭЛВИС»
Компания «ЭЛВИС» так же разрабатывает и производит функционально готовые решения. Например, такие, как системы интеллектуального наблюдения, обнаружения и отслеживания объектов, частным случаем которой является система «Перекресток», предназначенная для автоматического выявления и фиксации нарушений ПДД. Или аппаратно-программные бортовые системы управления и обработки информации космических орбитальных станций, различные модули и многие другие.
Немного фактов об АО НПЦ «ЭЛВИС»
Мало кто знает, что в 1974 году, благодаря специалистам «ЭЛВИС», при их непосредственном участии, был создан первый в СССР КМОП-микропроцессор. И что ими успешно были реализован проекты по созданию бортовых систем управления и обработки информации на космических орбитальных станциях «Салют» и «Мир», которые вполне достойно себя показали. В общей сложности специалистами «ЭЛВИС» было успешно реализовано около 200 уникальных проектов в области космической электроники. Все это говорит о достаточно высоком уровне научно-производственного потенциала АО НПЦ «ЭЛВИС» в области производства микроэлектроники.
Выводы
Процессоры «Мультикор» компании АО НПЦ «ЭЛВИС» достаточно широко используются в различных областях, начиная от космоса и заканчивая мобильными устройствами. И что у компании АО НПЦ «ЭЛВИС» есть хороший багаж опыта и знаний в области производства микроэлектроники, что дает ей хорошие перспективы в дальнейшем развитии.
Сторонникам СССР самим не смешно? Или не противно? Постоянно кричат, что все технические достижения были придуманы в СССР, а запад их украл и нам перепродаёт. Так вот, почему ни одно из "украденных западом" советских изобретений не было запущено в массовое производство в СССР?
Может, всё же дело было в системе, которая зарывала в землю таланты? Ну например, чиновникам было невыгодно выделять деньги на запуск производства чего-то нового, поэтому они предпочитали спускать планы на выпуск устаревших изделий и время от времени закупать на западе лицензии и оборудования для производства того, что на западе уже давно производится и пользуется спросом.
В России и других странах до сих пор выпускаются радиолампы, изобретенные еще в 1904 году. Не смотря на то, что их сильно потеснили полупроводниковые приборы, радиолампы используются, и по сей день. В высококачественной аппаратуре они просто незаменимы. Так как по некоторым важнейшим параметрам они сильно превосходят транзисторы. В современное время всеобщей миниатюризации всех электронных устройств складывается ошибочное мнение о безнадежном устаревании радиоламп и их полной непригодности. Да, конечно же сейчас радиолампы не находят такого широкого применения, как это было перед началом массового производства полупроводниковых приборов. Но, тем не менее, они не только находят применение, но и в некоторых электронных устройствах до сих пор и вовсе незаменимы.
Устройство и принцип работы радиоламп, как и других электровакуумных приборов достаточно прост. Самая простая радиолампа (диод) состоит из герметичной стеклянной колбы, из которой откачан воздух, то есть, создан вакуум.
В нее заключены два электрода – анод и катод, а также вспомогательный элемент – подогреватель. Катод во время работы лампы нагревается подогревателем до высоких температур (от 800 до 2000о С) и начинает эмитировать (испускать) электроны. Для обеспечения высокой эмиссионной способности катода, он покрывается специальным активным слоем, который при одинаковой температуре с металлом способен эмитировать гораздо большее количество электронов.
Если на анод относительно катода подать положительное напряжение, то под воздействием электрического поля электроны устремятся к аноду, и возникнет электрический ток.
Если на аноде будет присутствовать отрицательно напряжение, то электрическое поле будет отталкивать электроны от анода, и электрический ток будет отсутствовать. То есть электрический ток в одну сторону проходит, а в другую нет. Так работает электровакуумный диод.
Если между катодом и анодом добавить третий электрод – управляющую сетку, то появится возможность регулировать величину тока через радиолампу путем изменения напряжения на управляющей сетке, конечно же, при положительном напряжении на аноде. Если на управляющую сетку подать отрицательное напряжение, то электрическое поле сетки будет отталкивать излучаемые катодом электроны обратно к катоду, и не пропускать их к аноду. В результате чего электрический ток будет отсутствовать. Если на сетку подать положительное или «нулевое» напряжение, то электрическое поле сетки не будет отталкивать электроны, и они беспрепятственно устремятся к аноду, образуя электрический ток через радиолампу.
Теперь мы имеем усилительный электровакуумный прибор-триод. Название, которого само за себя говорит, что в нем используется три электрода.
Преимущества радиоламп
Радиолампы, несмотря на все свои недостатки, имеют и ряд существенных преимуществ перед полупроводниковыми приборами (транзисторами).
Стабильность температурного режима работы
Радиолампы имеют более высокую температурную стабильность режима работы, которая обусловлена тем, что радиолампа изначально является высокотемпературным элементом. Ее катод может разогреваться до двух тысяч градусов, другие элементы также нагреваются до температур, многократно превышающих температуру внешней среды.
В результате этого радиолампа находится все время в одном стабильном высокотемпературном режиме работы, который не подвержен влиянию колебаний температуры окружающей среды и изменениям нагрузки на радиолампу (изменению величины тока через нее).
Поэтому усилительные и другие схемы собранные на радиолампах не нуждаются в отличие от транзисторных схем в цепочках термостабилизации и цепях обратной связи компенсирующих температурную нестабильность их режима работы. Схемы на радиолампах получаются более простыми и имеют меньшее количество усилительных каскадов. Обвязка усилительных каскадов более простая и имеет меньшее количество элементов.
В транзисторных же схемах температурный режим работы транзисторов крайне нестабилен и сильно зависит от их температуры, которая в свою очередь зависит от мгновенной мощности рассеиваемой ими. Например, при усилении музыкального сигнала, в зависимости от изменения его мгновенной интенсивности и амплитуды меняется и нагрузка на транзистор, это приводит к колебаниям его температуры и колебаниям его коэффициента усиления вплоть до 30%. Этот эффект приводит к увеличению нелинейных искажений сигнала и без того немалых у транзисторных схем.
Для уменьшения этого негативного эффекта инженеры вынуждены использовать в транзисторных схемах различные цепочки термостабилизации и отрицательных обратных связей (ООС), что усложняет схемы и увеличивает количество используемых в них элементов.
Низкие нелинейные искажения
Схемы, выполненные на радиолампах, обладают меньшими гармоническими искажениями сигнала по сравнению со схемами на полевых и биполярных транзисторах. Даже, несмотря на применение в последних, различных схемотехнических решений направленных на уменьшение искажений. Дело в том, что усилительные свойства радиоламп и транзисторов определяются их крутизной характеристики. В случае с радиолампами это будет зависимость изменения анодного тока от изменения напряжения управляющей сетки при неизменных напряжениях на остальных электродах. А в случае, например с биполярными транзисторами это будет зависимость изменения тока коллектора от изменения напряжения между базой и эмиттером при неизменном напряжении на коллекторе.
Важным параметром крутизны характеристики является ее линейность. Именно от этого параметра и зависит, насколько сильно будут происходить нелинейные искажения сигнала.
У радиоламп крутизна характеристики более линейная, чем у полевых и тем более чем у биполярных транзисторов, у которых из трех перечисленных приборов она является самой нелинейной. Поэтому радиолампы обеспечивают наименьшие искажения сигналов. Нелинейность их крутизны характеристики пропорциональна корню третьей степени из величины тока анода. У полевых транзисторов нелинейность крутизны характеристики пропорциональна квадратному корню из величины тока стока, что уже сходу больше, чем кубический корень у радиоламп. А у биполярных транзисторов так и вообще нелинейность прямо пропорциональна току коллектора, что делает их крутизну самой нелинейной.
А кроме этого еще и питание радиоламп составляет порядка 300 В, против 30 В питания транзисторов (что в 10 раз больше). Это приводит к тому, что при равной усилительной мощности этих двух схем усилителей анодный ток радиолампы и его амплитуда колебаний будут в 10 раз меньше чем значение и амплитуда колебаний коллекторного тока транзистора. Благодаря этому колебания анодного тока радиолампы умещаются на небольшом линейном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ), и не «достают» нелинейных участков, располагающихся по краям характеристики, как это может происходить у транзисторов.
Всем этим в совокупности и обуславливаются минимальные нелинейные искажения сигналов радиолампами.
Для того, чтобы в транзиторных усилителях уменьшить искажения применят общую ООС и большое количество местных ООС. Глубина этих ООС достигает немалых 60 дБ. И только так в транзисторных усилителях можно добиться значительного уменьшения искажений.
Но цепи ООС имеют инерционность, и не могут мгновенно реагировать на входящие воздействия (сигналы). Это приводит к тому, что каждая начальная часть сигнала (например, музыкального инструмента) в начальном периоде времени не будет успевать обрабатываться цепью ООС, и на выходе усилителя будет кратковременное 100% искажение сигнала, что на слух будет очень отчетливо восприниматься слушателем с хорошим «музыкальным» слухом.
В ламповых же усилителях цепи ООС либо не используются вовсе, либо их глубина обратной связи значительно ниже чем у транзисторных схем и не превышает 20 дБ.
Где используются радиолампы
Разработчики высококачественной (Hi-Fi) звуковой аппаратуры прекрасно знают о всех недостатках транзисторных схем и о преимуществах схем на радиолампах. Поэтому в звуковой аппаратуре Hi-Fi класса часто используют радиолампы. На сегодняшний день существует немало моделей высококачественных звуковых усилителей на радиолампах.
Так же в самых качественных микрофонах используются исключительно ламповые усилители.
Микрофон студийный ламповый МКЛ-4000 и Brauner VMA
Прогресс привычно изображается спиралью. Виток за витком от каменного топора до космических кораблей. Нам кажется, что информационные технологии молоды, но они уже успели совершить не один виток в своем развитии.
❯ Начало
Все началось со счета. Мы уже не узнаем, когда человек научился считать предметы. Возникновения счета породило желание считать быстро и запоминать результат. Зарубки на дереве, кости и узелки на веревках были первыми системами хранения информации.
Кость Ишанго. Изготовлена около 10 000 лет назад. Часть ученых считает ее одним из первых инструментов для арифметических расчетов.
В городах Месопотамии находят тысячи «токенов». Так археологи назвали миниатюрные изображения овец, лепешек и кувшинов. Около 8 тысяч лет назад там была придумана первая «контейнеризация»/«инакпсуляция». «Токены» помещали в «буллу», заверяли печатями на глине и отправляли заказчику.
«Токены» и «Булла» с содержимым. Метод не требовал знаний счета или письма. Изображения из Википедии и с сайта Vorderasiatisches Museum Berlin
Позднее «токены» и «буллы» заменили отпечатками на глине и клинописью. В раскопках Месопотамии находят тысячи клинописных табличек из обожжённой глины. Чаще всего на них записаны не шедевры прозы и поэзии, а ведомости движения товаров по складу и результаты инвентаризации.
Каждая цивилизация придумывала свои способы ускорения счета и выполнения простейших арифметических операций.
Реконструкция римского абака и китайский суаньпань (на нем набрано число 6,302,715,408). Изображения из Википедии.
Инки придумали «кипу» – узелковое письмо. В их империи цвет нитей и форма узелков учитывали практически все.
Кипукамайок держит кипу. Юпана – калькулятор инков. Два этих устройства обеспечивали учет и контроль в империи.
Кипукамайоки обучались этому искусству с детства. Испанцы с интересом наблюдали, как человек садился с «мотком шерсти» и начинал подробно рассказывать о вещах, хранящихся на складе. К сожалению, большинство кипукамайоков закончило свою карьеру на кострах инквизиции.
Массовое применение любых технологий обработки и хранения информации стоило дорого во все времена. Такие методы могли позволить себе только очень богатые империи.
❯ Предтечи
Редкое изобретение возникает само по себе, в отрыве от своих предков. И ИТ технологии не исключение. Во времена древней Греции и Рима ученые создавали предков современного цифрового мира. По сохранившимся описаниям и фрагментам мы можем судить о развитии этого направления науки.
У древних авторов не раз встречалось упоминание о механизмах, которые предсказывали положение планет, лунные и солнечные затмения. Их авторство приписывали различным философам, математикам и механикам, но у современных ученых не было веры в эти рассказы.
Все изменилось с находки антикитерского механизма. Реставрация и анализ подтвердили описания древних рукописей. Перед учеными был специализированный астрономический компьютер. Часть шестеренок имела зубцы высотой в миллиметр. Не имея предшественников, построить такую машину было бы весьма затруднительно.
Схема антикитерского механизма, вид оригинала и его возможная модель. Найден в 1900 году около острова Антикитера. Оригинал изготовлен во II веке до нашей эры. Изображения из Википедии
«…Двадцать треножников вдруг он работал, В утварь поставить к стене своего благолепного дома. Он под подножием их золотые колеса устроил, Сами б собою они приближалися к сонму бессмертных, Сами б собою и в дом возвращалися, взорам на диво»
«Илиада» Гомер
Работы древних механиков касались разных сфер жизни. В греческих театрах рядом с актерами играли автоматы. Они появлялись по ходу пьесы на сцене, разыгрывали представление и исчезали за кулисами. Первые «программисты» использовали валики с отверстиями и шпеньками. Расположение шпеньков и варианты намотки веревок задавали движение фигур и самого автомата.
Пример намотки веревки на вал. Изображения из статьи «Театр Автоматов». Скорость опускания груза регулировалась скоростью истечения песка. Источник сайт https://simposium.ru/
Но не только небесные светила или театр занимали умы ученых. Герон изготовил первый вендинговый автомат для храма. В ответ на опущенную в прорезь монету автомат выдавал порцию воды для омовения. Крушение империи сделало многие знания ненужными. Сложные бронзовые механизмы переплавили, а театры забросили.
❯ Возрождение
Распад Римской империи и темные века замедлили бег спирали прогресса, но не остановили ее.
Прообраз механического сумматора обнаружили в записях Леонардо да Винчи. В его записях «найдется всё» важно знать, что ты ищешь.
Сумматор. Чертеж из рукописи Леонардо да Винчи. Конец XV века. Изображение с сайта https://www.grunge.com/
Вильгельм Шиккард в 1623 году создал «считающие часы». Первый автоматический калькулятор. Он был проще антикитерского механизма, но стал первым шагом нового времени. В 1642 году Блез Паскаль создал свой вариант механического вычислителя.
Реконструкция «Считающих часов» Вильгельма Шиккарда и «Паскалина» Блеза Паскаля (оригинал). Изображения из Википедии
Большой вклад в развитие арифмометров внес математик Готфрид Лейбниц. Он создал свой вариант механизма. Производство таких устройств не было массовым. Каждое делалось под заказ.
Вывод результатов у первых арифмометров был «графический». До создания устройств печати было еще очень далеко.
❯ Первые «принтеры»
В 1704 году Генри Милль запатентовал первую пишущую машинку «Machines for transcribing letters», но сведений о ее создании не сохранилось. Свой вклад в разработку систем печати внесли и создатели автоматонов. В 1753 году Фридрих фон Кнаус изобрел механическую руку. Она писала пером текст, запрограммированный штырьками на барабане. Последняя модель автоматона могла служить печатной машинкой. При извлечении барабана оператор рычажками мог сам задавать рукописный текст.
Более широкую известность получил «Каллиграф» часовщика Пьера Жака Дро. В его автоматоне роль программы выполнял диск с выступами. Настройка на новый текст занимала около двух часов. Печатать в свободном режиме было нельзя.
Слева-направо: Автоматон Кнауса (1760). «Каллиграф» Жака Дро состоящий из 6000 деталей (1772) Часовая фирма Jaquet Droz выпускает такие автоматоны до сих пор. Срок ожидания заказа один год. Изображения из Википедии
❯ Перфокарты
В 1804 году Жозеф Мари Жаккард приблизил наступление компьютерной эры. Изобретенный им жаккардовый ткацкий станок с перфокартами фактически стал первым специализированным технологическим компьютером с двоичным кодом. При наличии отверстия нить вплеталась в полотно, сочетание «единиц» и «нулей» создавало рисунок ткани. При неизменности механической части набор перфокарт позволял легко переходить от одного рисунка к другому.
Жаккардовый станок и перфокарты. Изображения из Википедии
«Как только появится аналитическая машина, она обязательно будет направлять будущий ход развития науки»
Чарльз Бэббидж «Отрывки из жизни философа» 1864
❯ Первая попытка
К началу XIX века «звезды сошлись» для попытки создания первого механического компьютера.
Печатные машинки и арифмометры
В 1802 году Пеллегрино Турри создал первую печатную машинку для своей слепой подруги. Сама машинка не сохранилась, только напечатанные с ее помощью письма Каролины да Фивиццано.
В конце XVIII века Филлип Матеус Ганн на основе работ Блеза Паскаля и Готфрида Лейбница создал свой арифмометр. Его устройства выпускались мелкими сериями и имели коммерческий успех. Для разных потребителей выпускали 2-х, 4-х,11-ти и 14-ти разрядные.
Массовое производство арифмометров наладил французский изобретатель Тома де Кольмар в начале 1820-х годов. К тому времени точность обработки деталей достигла необходимого уровня. Позднее за эту работу он был награжден орденом Почетного Легиона. Вычислительная техника перешла из разряда диковинных дорогих игрушек в дорогой инструмент для вычислений.
11-ти разрядный калькулятор Гана (Hahn) 1870-е и калькулятор Кольмара 1820-е годы. Обе машины использовали ступенчатые валики Лейбница. Материал из Википедии и сайта https://auction-team.de/
Human computer
Особый вклад в появление первого компьютера внес французский ученый Гаспар Прони. Франция в конце XVIII века сменила не только монархию, но и систему мер и весов. Это потребовало пересчета таблиц и справочников. Уточнялись таблицы синусов и логарифмов. На всё это катастрофически не хватало квалифицированных людей. Две вычислительные мастерские Парижа не справлялись с объемом работ.
Гаспару Прони в руки попадает книга Адама Смита, который видел в разделении труда одну из решающих сил развития производства. Идея Смита была творчески воплощена в разделении труда математиков. Работающие над вычислениями люди были разделены на три уровня.
Во главе вычислений были поставлены крупные математики, которые определяли цели, задачи, формулы и алгоритмы числовых вычислений. Они не касались самих вычислений и определяли стратегию работы.
Второй уровень вычислителей разбивал формулы на группы простейших вычислений. ИХ знания математики были уже не такими обширными.
Третий уровень работников был самым многочисленным. Они выполняли сложение или вычитание согласно выданному заданию. Общей задачи они не представляли и просто выполняли арифметические действия. Позднее этот метод назвали «human computer» и применяли до середины XX века.
«Методику Прони применили американцы в 40-х годах для работы над Манхеттенским проектом. Физик Ричард Фейнман описывает как была составлена программа, расписаны операции и девушки при помощи арифмометров складывали и вычитали числа. Производительность импровизированного «компьютера» была не меньше чем у первых ЭВМ. «
Результаты двух Парижских мастерских сравнивались на наличие ошибок. Контроль четности XIX века.
К контролю четности давно прибегали пастухи. Сложно пересчитать без ошибок многочисленное стадо. Выгоняя овец на пастбище, пастухи попарно пропускали их через узкий коридор. Запоминая одна или две овцы было в конце стада. Вечером стадо проверялось по той же методике. Разночтение говорило о пропаже одной овцы, пропажу двух оно не отслеживало.
Разностная машина Чарльза Бэббиджа
Позднее французы издали брошюру, посвященную методике разделения труда при вычислениях. Чарльза Бэбиджа ознакомился с методами Прони и решил заменить третью уровень вычислительной машиной. В 1822 году он создает небольшой действующий образец «Difference engine» или машиной различий. Успешные испытания помогают ему добиться государственного финансирования.
Задача оказалась очень непростой, Бэббидж постоянно менял конструкцию и строительство затягивалось. В 1832 году он знакомится с Адой Байрон, ставшей его помощницей и первой в истории программисткой.
Машина имела десятичную систему счисления. Частично ее удалось запустить и даже сделать расчеты.
В планах Бэббиджа была постройка аналитической машины. Механический компьютер должен был включать в себя арифметическое устройство, регистры памяти и устройство печати. Ввод и вывод данных, программные операции и управление перемещением должны были быть реализованы на перфокартах. В планах было и создание принтера для вывода информации на печать.
По оценке Бэббиджа машина должна была содержать не менее 50 тысяч деталей и приводиться в движение паровым двигателем.
«Разностная машина» Бэббиджа №2 и принтер к ней. Создана в 2002 по его чертежам. Содержит около 8000 деталей. Лондонский музей науки.
В 1852 году умирает Ада Лавлейс. Бэббиджу так и не удается осуществить задуманное. Уровень знаний и технологий не достиг требуемого уровня. Для своего времени это был шедевр технической мысли. Инженерам пришлось приложить немало усилий, чтобы достичь высокой точности обработки деталей. Опыт работы над машиной Бэббиджа помог оружейнику Витворту создать одну из самых совершенных винтовок того времени.
В 1855 году на всемирной выставке шведский изобретатель Георг Шутц демонстрирует первую рабочую дифференциальную машину. Она была основана на работах Бэббиджа и предназначалась для создания логарифмических таблиц.
Машина вычислений Шутца. Изображения из Википедии
Большие машины не стали популярны, на долгие годы арифмометры заняли нишу персональных вычислительных устройств.
❯ Первая большая машина – табулятор Холлерита
Но задачи в масштабах государства требуют больших машины. Обработка переписи населения занимала несколько лет. К следующей переписи данные устаревали и обработка начиналась сначала. Разорвать этот порочный круг помогло изобретение Германа Холлерита. В 1884 году он запатентовал электромеханический табулятор. Данные переписи кодировали на перфокартах и загружали в табулятор. Расположение отверстий отмечало пол, семейное положение и прочие сведения о человеке. Применение табуляторов для переписи 1890 позволило сократить сроки обработки с 8 до 6 лет.
Электромеханический табулятор Холлерита конец XIX века. В верхнем правом углу перфокарта. Изображения из Википедии
Основанная Холлеритом компания стала впоследствии одной из основ IBM, а формат перфокарты стал стандартом почти на сто лет.
❯ Новое время
Писатели и поэты умеют заглядывать за горизонт. В туманных строчках стихов или строчках прозы они рисуют контуры будущего.
«Подобно всем, кто живет в нашу эпоху, я пользовался всеми благами современных машин, но никогда не задумывался над вопросом, как и где они приводятся в движение или каково их устройство. Мне было достаточно, что машины обслуживают нужды мои и моих близких, а чем это достигается, мне было все равно. Мы нажимали определенные кнопки или поворачивали известные рукоятки и получали все, необходимое нам: огонь, тепло, холод, горячую воду, пар, свет и тому подобное. Мы говорили по телефону и слушали в мегафон утреннюю газету или, вечером, какую-нибудь оперу; переговариваясь с друзьями, мы приводили в действие домашний телекинема и радовались, видя лица тех, с кем говорим, или в тот же аппарат любовались иногда балетом»
Валерий Брюсов «Восстание машин» 1908
Мир крутит ручки арифмометров и пробивает карточки табуляторов, но изобретатели идут дальше. Мечты Бэббиджа об аналитической машине становятся все ближе.
«Идея витала в воздухе» – эта фраза хорошо подходит к изобретению компьютера. Сложно сказать кто был первым. В 1936 году Алан Тьюринг предложил модель абстрактной вычислительной машины. Эта работа стала фундаментом дальнейшей разработки компьютеров. В 1940 году Тьюринг участвует в создании специализированных машин для взлома немецких шифров. Для дешифровки сообщений немецкой «Энигмы» был создан проект «the Bomb». Проект «Collosus» взломал код «Лоренц», более сложный вариант «Энигмы. После окончания войны компьютеры были уничтожены. Англичане опасались попадания этой технологии в СССР.
Восстановленный экземпляр «Colosuss» The National Museum of Computing, Bletchley Park. Изображения из Википедии
Исследования и разработки других стран можно считать самостоятельными. В условиях мировой войны державы не делились своими разработками в этой области. Компьютеры решали секретные государственные задачи.
В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе создал Z3. Первый реально действующий программируемы компьютер на основе телефонных реле. Компьютер использовался для расчета крыльев самолетов и параметров баллистических ракет. В 1950 году его фирма впервые в мире продала компьютер.
Реплика Zuse Z3. Deutsches Museum in Munich, Germany. Изображения из Википедии
Американские инженеры Джоном Атанасовым и Клифорд Берри создали в 1942 году ABC (Atanasoff Berry Computer). Специализированный компьютер для решения систем линейных уравнений. В 1940 году с их идеями ознакомился Джон Мочли и творчески их доработал.
В 1942 г. Мочли совместно с Джоном Эккертом предлагают свой проект ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator). В 1945 году машина была построена и выполняла баллистические расчеты. В 1946 году проект был рассекречен. Принято считать ENIAC первым компьютером. Машины Mark I, Z3, ABC и Colossus относят к первому поколения компьютеров.
«ENIAC весил 27 тонн, состоял из 18 тысяч электронных ламп, 1500 реле и десятков тысяч прочих радиоэлементов. Производительность была 5000 операций сложения или 385 операций умножения в секунду. Общая стоимость машины составила 750 тысяч долларов. Потребляемая мощность около 200 кВт.»
ENIAC. Изображения из Википедии
В СССР разработка компьютеров связана с академиком Сергеем Александровичем Лебедевым. Во время войны он занимался системами стабилизации танковых орудий. В 1945 году создал одну из первых в стране аналоговую вычислительную машину. В 1950 году под его руководством была создана МЭСМ (Малая Электронно-Счетная Машина), а в 1952 году БЭСМ-1 (Большая Электронно-Счетная Машина). В дальнейшем машины создавались различными коллективами и были несовместимы между собой.
К середине 60-х в СССР было решено сделать стандартизацию в области информатизации. За основу были взяты американские машины IBM System/360 и System/370. Программное обеспечение и «железо» было доработано. Серия ЕС ЭВМ выпускалась с 1971 года до середины 90-х годов.
Мэнфреймы были программно-аппаратными комплексами. Их программное обеспечение было тесно увязано с «железом» машины и было оптимизировано для работы с ним.
Большие машины требовали постоянного ремонта, гермозалов с поддержанием постоянной температуры и влажности и многочисленного обслуживающего персонала.
Ни у кого не может возникнуть необходимость иметь компьютер в своем доме.
Ken Olson. Digital Equipment Corp 1977
❯ Время гигантов
Было понятно, что такие монстры не предназначены для домашнего использования. Персональные компьютеры лишь изредка мелькали на страницах произведений фантастов. Будущее представлялось, как сеть терминалов доступа к огромным вычислительным машинам. Академик Виктор Михайлович Глушков представлял управление СССР в виде Общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС) на основе Единой государственной сети вычислительных центров (ЕГСВЦ). Но его проект не был принят руководством страны.
Вот что писал классик советской фантастики Иван Ефремов в 1957 году в романе «Туманность Андромеды»:
«Экран засветился, в глубине его обозначились знакомые сочетания высоких панелей с бесчисленными столбцами закодированных обозначений электронных фильмов, заменивших архаические фотокопии книг. Когда человечество перешло на единый алфавит, названный линейным. по отсутствию сложных знаков, фильмование даже старых книг стало еще более простым и доступным автоматическим машинам. Синие, зеленые, красные полосы – знаки центральных фильмотек, где хранились научные исследования, давно уже издававшиеся всего в десятке экземпляров. Стоило набрать условный ряд знаков, и хранилище-фильмотека автоматически передавало полный текст книги-фильма»
Идею мощных центральных серверов с терминалами доступа осуществили французы. В конце 1970-х годов ими был запущен успешный проект Минитель.
Терминалы Minitel — Médium interactif par numérisation d'information téléphonique. Официальное название TELETEL. Изображения из Википедии
Бесплатный терминал с абонентской платой открывал дверь в информационную эру. Система предлагала тысячи разнообразных услуг включая покупку билетов, заказ вещей и продуктов на дом, новости, интернет-банкинг и чаты с другими пользователями. В период расцвета система имела 9 миллионов терминалов и 25 миллионов пользователей на 57 миллионов жителей Франции. Технологию купили полтора десятка стран. Французы мечтали о мировом Минителе с центром в Париже.
Все испортили персональные компьютеры и приход Интернета.
❯ Динозавры и мыши
Пока большие машины увеличивались в размерах и быстродействии, их дальние родственники уменьшались в размерах. На смену тяжелым «Феликсам» (модификация арифмометра Однера) пришли карманные арифмометры Curta. Позднее появились электронные калькуляторы, уменьшившиеся от размеров стола, до настольных и карманных.
Слева-направо. Curta – карманный арифмометр 1948, Casio 14-A 1957 год, калькулятор 901B фирмы Bomwar 1971
Но возможности калькуляторов были невелики и требовался небольшой персональный компьютер, способный в удобном режиме решать необходимые задачи. Для решения задач на больших машинах требовалось записываться на машинное время, не всегда удобное для пользователя. Ученым, инженерам и студентам требовался персональный инструмент.
Одной из первых крупносерийных персоналок стала Xerox Alto 1973 года, но корпорация не стала развивать этот сегмент рынка. Компьютеры были распределены среди инженеров Xerox и исследовательских институтов. В конце 70-х на рынок был выпущен Apple II, а в 1981 году IBM PC.
Слева-направо. Xerox Alto 1973, Apple II 1977, IBM PC 1981
Но объем рынка был невелик. Компьютеры покупали инженеры, ученые, гики, геймеры и люди знающие языки программирования. Широким массам вычислительные возможности компьютера были недоступны. Все изменилось с созданием программ табличного расчета SuperCalc, VisiCalc и Lotus 1-2-3. Они не требовали знания программирования и оказались весьма полезны мелкому и среднему бизнесу. Ради программы стоимостью 100 долларов люди покупали компьютер за 2000 долларов.
Корпорации «Больших машин» недооценили конкурента. И вскоре персональные компьютеры вытеснили мелкие и средние «большие машины». Персоналки не требовали специальных условий эксплуатации и многочисленного персонала. Гиганты остались там, где вычислительная мощность «персоналок была недостаточна». На какое-то время пути развития вычислительной техники стали двумя рукавами одной большой реки.
Шло время и количество вводимой информации перешло в качество. Простые расчеты уже не удовлетворяли потребности. Персональные компьютеры стали объединяться в локальные, а затем и в глобальные сети. Первое время серверы не слишком отличались от обычных ПК, они просто имели больше памяти, мощнее процессор и больший по объему жёсткий диск.
На рынок сетевых операционных систем вышли Novell Netware, Banyan VINES, Microsoft Windows, LANtastic, Solaris. Не все из них дожили до наших дней, естественный отбор вместе с управляемой эволюцией оставил на рынке только часть.
Акулу и дельфина делает похожими среда и образ жизни, подобная конвергенция началась и в компьютерном мире. Увеличение производительности компьютеров, повышение объемов и вариантов обработки информации привело к появлению программно-аппаратных комплексов (ПАК). Эти комплексы включали в себя оборудование, программное обеспечение и системы диагностики, глубоко интегрированные и настроенные на выполнение определённых задач.
Пионером в разработке ПАКов стала компания Oracle. В 2010-х годах, после поглощения Sun Microsystem и ряда других компаний, были разработаны программно-аппаратные комплексы для различных сфер применения.
Это были большие машины нового типа и им снова потребовались машинные залы, гермозоны и микроклимат. Спираль эволюции поднялась на один виток, на новом уровне повторяя достижения прошлого. С широким распространением Интернета в 90-е годы XX века появились Интернет магазины, Интернет банкинг, услуги продажи билетов, электронная почта, социальные сети и видеохостинги.
❯ Возвращение больших машин
С появлением Интернета персональный компьютер в какой-то степени утратил свою «персональность». Сложно представить ПК пользователя без мессенджеров и социальных сетей, без почты и видеохостингов. Большую часть времени персональный ПК служит фактически терминалом, связывающим нас с теми или иными серверами.
Внедрение ПК во все сферы жизни не обошло стороной и государство. В самом начале это напоминало стихийное переселение племен и феодальную раздробленность. Каждый субъект РФ, учреждение или государственная сфера деятельности создавала свои собственные разработки. Со временем государство стало брать все процессы под свой контроль. Стали создаваться единые базы данных и единые АРМы для государственных систем.
Этот процесс ускорился после ухода с нашего рынка многих ведущих мировых игроков «железа» и программного обеспечения. Кибератаки на критическую информационную инфраструктуру частных лиц или недружественных государств могут создавать угрозы национальной безопасности.
Для исключения «закладок» в программном обеспечении в России создан реестр программного обеспечения и сертифицированный конвейер разработки. Создаются ГИСы (государственные информационные системы) на отечественном ПО и сертифицированном «железе».
Для такой масштабной работы необходимы соответствующие вычислительные мощности. Ряд российских фирм разрабатывают программно-аппаратные комплексы, ориентированные на решение конкретных задач. Хранение информации, объектные хранилища, системы обработки потоковых данных.
Для обеспечения информационного суверенитета ПАКи сертифицируются включаются в Реестры российской промышленной продукции, программного обеспечения и в Единый реестр российской радиоэлектронной продукции.
Каким будет будущее информационных технологий доподлинно неизвестно. Уже сейчас становится понятно, что эра свободного Интернета ни имеющего границ и ограничений ушла в прошлое. А информационный суверенитет становится важной частью безопасности любой страны.
Написано специально для Timeweb Cloudи читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашемблоге на Хабре и телеграм-канале.
Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.
Несмотря на всю свою древность, радиолампы до сих пор не вымерли. Они широко используются в оборонном и космическом секторе, а также в быту. Более того в большей части своего применения они незаменимы. Благодаря каким свойствам от них до сих пор не отказались.
Радиолампы – это электровакуумные приборы, в которых рабочий объем лишен воздуха, то есть, создан вакуум. А чтобы вакуум изолировать от окружающей среды, рабочий объем радиолампы заключается в герметическую оболочку, в которой также размещаются электроды.
Диод – самая простая радиолампа, которая имеет всего два электрода, катод и анод. Катод при работе диода разогревается до высоких температур, при этом происходит эмиссия (испускание) электронов с поверхности катода. Для увеличения способности катода испускать электроны, он покрывается специальным активным слоем.
Если на анод диода подать положительное напряжение, а на катод отрицательное (прямой полярности), то электроны под действием электрического поля начнут перемещаться от катода к аноду и через диод протечет ток. Если на диод подать напряжение обратной полярности, то электрическое поле будет пытаться перемещать электроны от анода к катоду. А поскольку анод не может излучать электроны, то и движения в этом направлении электронов не будет, и ток будет отсутствовать.
Чтобы получить усилительный прибор (триод) между катодом и анодом вводится дополнительный электрод – сетка. Она позволяет управлять количеством проходящих через нее электронов от катода к аноду, то есть управлять анодным током триода. Управление происходит электрическим полем создаваемым сеткой. При подаче на нее отрицательного напряжения ее электрическое поле отталкивает электроны обратно к катоду и препятствует их перемещению через сетку к аноду. При «нулевом» или положительном напряжении на сетке, ее электрическое поле не препятствует прохождению электронов к аноду и через триод протекает ток.
Где применяются радиолампы
Радиолампы распространены в быту гораздо шире, чем вы об этом думаете. И это не о тех людях, которые еще не выкинули старые ламповые телевизоры и радиоприемники. На сегодняшний день радиолампы есть почти в каждой квартире или доме. И находятся они в микроволновых печах. Называется такая радиолампа магнетроном. Магнетрон является автогенератором, то есть при подаче на него питания он самостоятельно генерирует, без помощи других радиоэлементов сверхвысокочастотные (СВЧ) электромагнитные колебания большой мощности. Которые затем, проникая вглубь продуктов питания, разогревают их изнутри.
Также используются магнетроны и в оборонке в передатчиках радиолокационных станций.
Так почему же используется магнетрон, а не транзисторы. Дело в том, что даже самый мощный транзистор не сможет обеспечить такую выходную мощность на сверхвысокой частоте, как магнетрон. Поэтому пришлось бы использовать большое количество выходных транзисторов, задающий генератор, СВЧ сумматор и другие радиоэлементы обвязки. Что сделало бы такой источник СВЧ энергии сложным, громоздким, дорогим и ненадежным. Диапазон СВЧ составляет от 3 до 30ГГц. Транзистор имеет небольшие размеры, питается низковольтным напряжением, рабочий ток его также невелик, поэтому потребляемая и соответственно выходная мощность СВЧ энергии такого каскада тоже невелика.
Напряжение питания магнетрона микроволновой печи в среднем составляет 4000В, ток потребления 0,3 А, отсюда мощность потребляемая им от сети составит 4000В х 0,3А=1200Вт. А мощность генерируемой им СВЧ энергии в среднем 800Вт.
А какой СВЧ транзистор способен потребить 1200Вт электрической энергии? Правильно, никакой, соответственно и мощность генерируемой им СВЧ энергии будет мала.
Ну а, например, напряжение питания магнетрона МИ-285 используемого в радиолокации составляет 50КВ, представляете, целых 50000В.
Магнетрон МИ-285 (импульсная мощность 1,2 МВт)
Дальше нужно продолжать про генерируемую им мощность? Продолжу, в импульсе (радиолокаторы работают в импульсном режиме) его выходная мощность составляет 1,2 МВт (1,2 миллион ватт). Какой транзистор повторит такое?
В оборонном секторе на самом деле используется достаточно большое количество мощнейших электровакуумных приборов СВЧ диапазона. И на сегодняшний день ни один транзистор и близко не стоял возле этих монструозных приборов.
Еще один из них – это клистрон. В отличие от магнетрона он не является автогенератором. Клистрон – это усилительный прибор, кроме выхода СВЧ энергии, он имеет также вход, на который подается усиливаемый СВЧ сигнал. Он также используется для работы в мощных передатчиках радиолокаторов.
Клистрон
В космосе и оборонке широко используются лампы бегущей волны (ЛБВ), это усилительный прибор, обладающий громадным коэффициентом усиления до сотен тысяч в широком диапазоне частот, и мизерными собственными шумами. Применяется он преимущественно в приемниках. Ни один транзистор не обладает такими характеристиками.
В настоящее время ЛБВ успешно применяются на спутниках различного назначения. Компания «Росэлектроника» в настоящее время по программе импортозамещения разрабатывает свои ЛБВ космического назначения взамен импортных. Ей для этого выделено 600,5 миллионов рублей.
Какие еще преимущества имеют радиолампы
Радиолампы устойчивы к электромагнитному импульсу (ЭМИ) и способны без последствий выдерживать кратковременные перегрузки, создаваемые им. Как это физически будет происходить в радиолампе? Под воздействием ЭМИ наводятся большие напряжения, которые способны пробивать пространство между электродами внутри радиолампы. В момент пробития лампа работать не будет, но после окончания ее работоспособность будет восстановлена. И ничего страшного, что при пробитии часть металла испарилась с электродов, и это частично нарушило вакуум. Через некоторое время вакуум восстановится. Для этого в лампах имеется специальное вещество (геттер), которое поглощает все молекулы, которые находятся в рабочем объеме радиолампы. И вакуум полностью восстанавливается.
А если пробой произойдет в транзисторе, это приведет к необратимому выходу его из строя. Поскольку его рабочий объем состоит из твердого материала (кремния, германия, и. т. д.), который меняет свои физические свойства необратимо.
Также радиолампы устойчивы к ионизирующему излучению, газа в них нет, ионизироваться нечему. А в транзисторах опять же произойдут необратимые разрушения твердого тела.
Мало кто знает, что создателем процессора Pentium компании Intel является ученый СССР Пентковский В.М. И благодаря ему существуют все современные процессоры Intel в том виде, в котором они есть. О том, как это произошло.
Свое восхождение по кремниевой лестнице успеха американская компания Intel начала еще в 1968 году. Но достаточно продолжительное время после своего основания компания Intel каких-либо значимых успехов не добилась. Свое производство она начинала с простых микросхем, и только через три года после своего основания начала выпуск микропроцессоров – Intel 4004, а через некоторое время и следующей модели – Intel 8008. Они использовались в калькуляторах, на конвейерных линиях заводов для автоматизации производства и для каких-либо серьезных целей были не пригодны. В 1974 году был выпущен первый универсальный микропроцессор – Intel 8080, который применялся в компьютерах. После этого дела компании постепенно пошли вверх, но особых прорывов не было.
Но по воле судеб в конце 1991 года не без помощи западных коллег произошел развал СССР. И ряд деструктивных процессов протекающих при этом явился причиной того, что выдающийся советский ученый Пентковский Владимир Мстиславович после приглашения его в компанию Intel принял решение покинуть СССР и продолжить там воплощать в жизнь свои гениальные идеи в области микроэлектроники.
Руководством компании Intel Пентковский В.М. был назначен ведущим разработчиком ее микропроцессоров. Там он приступил к созданию первого в компании Intel суперскалярного (способного выполнять более одной операции за один такт) процессора. И в 1993 году компания Intel выпустила свой первый суперскалярный процессор – Pentium. По своим возможностям он превосходил остальных конкурентов и обеспечил компании лидирующие позиции на рынке.
Следует отметить, что разработка процессора Pentium была проведена в очень сжатые сроки. Сделать это компании Intel удалось благодаря тому, что Пентковский В.М. увез с собой из СССР, из института точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, где он ранее трудился, много идей и наработок.
Причем идеи эти были не «голыми», а имели под собой многолетние практические наработки, в которых выявленные недочеты были проанализированы коллективом института и устранены. То есть большинство идей уже были обкатаны в «железе», например в суперскалярном процессоре «Эль-90», прототипы которого были выпущены институтом в 1990 году.
Невольным помощником Пентковского В.М. в создании процессора Pentium стал другой выдающийся советский ученый Бабаян Борис Арташесович.
Он вместе с Пентковским В.М., находящимся в то время в СССР, в конце 70-х совместно разработали суперкомпьютер «Эльбрус» на базе суперскалярного процессора и создали язык программирования для него.
Через некоторое время ими был разработан усовершенствованный «Эльбрус-2» получивший в СССР массовое распространение в сферах требующих больших объемов вычислений. В таких, как оборонный сектор, например, в системах противоракетной обороны. В космическом секторе в центрах управления космическими полетами.
Следующей моделью был «Эльбрус-3», но в серийный выпуск он не пошел, не успел, финансирование прекратилось по причине начала развала СССР.
И получилось, что многолетние наработки не только этих двух ученых, но и всего коллектива института благополучно переехали с Пентковским В.М. в американскую компанию Intel. Таким образом, фактически проектирование процессора Pentium происходило в СССР в институте точной механики и вычислительной техники в период с конца 70-х и до развала СССР в 1991 году. Подтверждением этого является большое сходство архитектуры советского процессора «Эль-90» выпущенного до развала СССР с архитектурой линейки процессоров Pentium.
После процессора Pentium Пентковский В.М. приступил к разработке следующих поколений процессоров: Pentium II, Pentium III, Core 2 Duo, HAL9000, Matrix. Которые успешно серийно выпускались.
А Бабаян Б.А. из СССР не уехал, и со своими коллегами в 1992 году организовал ныне широко известную российскую компанию «Московский центр SPARC-технологий (МЦСТ)». В которой разрабатывались процессоры «Эльбрус» для внутренних нужд России.
