Владимир Петров - Законы развития систем

Рис. П3.2. Приемник А. С. Попова. 1895 г.

Пример П3.2. Приемник Маркони.

Независимо от Попова итальянский ученый Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi) в 1895 году начал лабораторные эксперименты, а в 1896 осуществил первую радио передачу в Англии. 2 июля 1897 г. Маркони получил патент Великобритании 12039 «Усовершенствования передачи электрических импульсов и сигналов и аппарата для этого », а 13 июля 1897 г. получил патент США 586 193. Усилиями Маркони радио получило распространение во всем мире.

На рис. П3.3 изображены приемник и передатчик Г. Маркони.

Рис. П3.3. Передатчик и приемник Маркони. 1895 г.

П3.1.2. Вакуумные приборы

А. Вакуумный диод

Пример П3.3. Диод.

В 1904 г. английский ученый Дж. Э. Флеминг (John Ambrose Fleming) [1849—1945 гг.] получил патент Великобритании 24850, названный «лампа с термокатодом» (thermionic valve), представляющий собой вакуумный диод (двухэлектродную лампу). В 1905 Флеминг получил патент США 803 684 «выпрямитель переменного электрического тока» (рис. П3.4) и применил его в качестве детектора в радиотелеграфных приемниках. Это был качественный переход от кристалла к вакуумным лампам.

Рис. П3.4. Диод Флеминга

Б. Трехэлектродная вакуумная лампа

Пример П3.4. Триод.

В 1906 г. американский конструктор Ли де Форест (Lee De Forest) (1873—1961 гг.) добавил в диод Флеминга управляющий электрод — сетку, создав трехэлектродную вакуумную лампу. Новая лампа названа «аудион» (рис. П3.5), а в последствии триод. Де Форест получил патент США 879 532 от 18 февраля 1908 г. Ее можно было использовать не только в качестве детектора, но и как усилитель слабых электрических колебаний. Это было началом увеличения количества электродов.

Рис. П3.5. Аудион де Фореста

В. Многоэлектродные вакуумные лампы

Пример П3.5. Многоэлектродные лампы.

Количественные изменения осуществлялись и в развитии самих вакуумных ламп — число электродов увеличивалось. Появились лампы, содержащие не одну, а несколько сеток: тетроды (лампы с двумя сетками) и пентоды (лампы с тремя сетками). Они позволили получить большее усиление сигналов.

В дальнейшем в радиоприемнике стали увеличивать количество ламп.

С момента появления триода началось развитие электроники, которое идет в направлении увеличения числа элементов на единицу площади.

Г. Пальчиковые вакуумные лампы

Пример П3.6. Пальчиковая лампа.

Следующий качественный переход к пальчиковым лампам

(рис. П3.6).

Рис. П3.6. Пальчиковая вакуумная лампа

П3.1.3. Полупроводники

Переход к полупроводниковой технике — следующий качественный скачек.

А. Изобретение триода

Пример П3.7. Первый транзистор.

23 декабря 1947 в США в компании «Bell Labs» Вильяма Брэдфорда Шокли (William Bradford Shockley) (1910—1989), Уолтер Хаузер Брэттен (Walter Houser Brattain) (1902—1987) и Джон Бадин (John Bardeen) (1908—1991) создали точечный транзистор (рис. П3.7). За изобретение транзистора Шокли, Брэттен и Бардин удостоены Нобелевской премии в области физики (1956). Слово «транзистор» возникло из сокращения двух английских слов: «transfer» — перемещать, переносить и «resistor» — резистор, сопротивление.

Рис. П3.7. Первый точечный германиевый p-n-p транзистор.

1947 г.

П3.1.4. Микросхемы

Следующий качественный переход к микросхемам.

Пример П3.8. Интегральные микросхемы.

Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

— 1960 — 1969гг. — интегральные схемы малой степени интеграции, 10 2 транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

— 1969 — 1975гг. — интегральные схемы средней степени интеграций, 10 3 транзисторов на кристалле (СИС).

— 1975 — 1980гг. — интегральные схемы с большой степенью интеграции, 10 4 транзисторов на кристалле (БИС).

— 1980 — 1985гг. — интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 10 5 транзисторов на кристалле (СБИС).

— С 1985г. — интегральные микросхемы с ультра большой степенью интеграции, 10 7 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

Общая тенденция увеличения количества транзисторов в микросхемах показана на примере развития микропроцессоров компании Intel (рис. П3.8) 471.

Эта тенденция подчиняется закону Мура 472 : количество элементов на кристаллах электронных микросхем удваивается каждый год 473.

Гордон Мур в 1965 году был директором отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, а в будущем он стал со-основатель корпорации Intel.

Этот закон задал фундаментальный вектор развития технологии в компьютерной области и полупроводниковой индустрии и отражает экспоненциальный характер развития одной из многочисленных тенденций в современном человеческом обществе. В этом смысле закон Мура — скорее «социологический», чем «компьютерный». Он оказался очень удобным для описания определённых вещей и весьма полезным для прогнозирования деятельности компаний в этой области.

Появились подобные законы, отражающие тенденции экспоненциального роста в смежных областях информационных технологий. Например, закон Меткалфа 474 .Меткалф один из основателей Ethernet.

Закон Меткалфаутверждает, что использование вычислительных сетей возрастает пропорционально квадрату количества пользователей. При этом рост Интернет-траффика удесятеряется за пять лет (то есть удваивается примерно за полтора года).

Второй закон Мурасотрудником Intel, Юджином Мейераном. Этот «закон» утверждает, что стоимость строительства микроэлектронной фабрики удваивается каждые три года. Прогнозируется, что к 2010 году стоимость достигнет 50 миллиардов долларов (рис. П3.9).

Рис. П3.9. Второй закон Мура.

Изобретатель и фунурист Рэй Курцвейл (Ray Kurzweil) в своей научно-популярной книге об искусственном интеллекте и будущем человечества приводит график развития суперкомпьютеров

(рис. П.3.10) 475.

Рис. П3.10. Развитие суперкомпьютеров.

П3.1.5. Вакуумная наноэлектроника

Переход к вакуумной наноэлектронике — новый качественный скачек.

Пример П3.9. Вакуумный нанотранзистор.

Ученые из Университета Питтсбурга 476создали низковольтные вакуумные транзисторы. Они использовали вертикальную трехслойную МОП-структуру «металл/двуокись кремния/кремний» с глубоким каналом. В этой структуре слои металла и кремния служат анодом и катодом, соответственно, и разделены изолирующим слоем двуокиси кремния. Перенос электронов в этом устройстве осуществляется в вакууме в вертикальном направлении (рис. П3.11).

Рис. П3.11. Вакуумный нанотранзастор

Таким образом, исследователи продемонстрировали возможность создания низковольтных быстродействующих транзисторов нового класса, которые совместимы с современными кремниевыми устройствами.