7. Новые направления телекоммуникационной, функциональной и энергетической электроники

7.1. Компьютерная электроника и телекоммуникационные технологии

Развитие информатики и вычислительной техники напрямую связано с прогрессом в создании быстродействующих и мощных компьютеров и супер­компьютеров. В сложном электронном устройстве, каковым является совре­менный компьютер, безусловно, важнейшим его органом является микропро­цессор. Как мы уже видели, технология и потенциальные возможности микро­процессоров стремительно приближаются к фундаментальным ограничениям. Если в наступающем веке не произойдёт перехода на новые принципы конст­руирования и технологической реализации элементной базы компьютерной электроники, информационное сообщество может войти в затяжной период регресса и стагнации.

К счастью, сегодня можно уже смело прогнозировать некоторые основ­ные направления в создании компьютеров будущего поколения, которые изо дня в день находят своё подтверждение:

1. Оптоэлектротые компьютеры - переход на оптоэлектронные логиче­ ские схемы, лазеры с перестраиваемой длиной волны, волоконно-оптические межсоединения, жидкокристаллические дисплеи и проч.

2. Квантовые компьютеры, состоящие из компонентов субатомных разме­ ров и работающие по принципам квантовой механики. В отличие от классиче­ ского компьютера, который оперирует числами и основан на двоичной системе их записи, соответствующей наличию двух устойчивых состояний логического "О" и логической "1", квантовый компьютер представляет собой сложную фи­ зическую структуру, выполняющую логические операции над квантовыми со­ стояниями посредством математических операций, не нарушающих принципа суперпозиции квантовых состояний.

Работа квантового компьютера строится в виде трех последовательных стадий:

• подготовка и запись исходного состояния;

• собственно вычисление (т.е. линейные преобразования, которым под­ вергается исходная система);

• вывод (определение) итогового результата.

Классический компьютер, построенный на булевской логике, оперирует только битами, которые могут иметь состояния "О" или "1". В квантовом ком­пьютере общее состояние системы описывается так называемым "кубитом" ^~ бит), который в силу принципа суперпозиции имеет больше вариантов, чем бу­левские "О" и "1", так как ц-бит может одновременно находиться в состоянии включено", "выключено" и в переходном.

Построение системы взаимосвязанных электронов (пока удалось связать только три электрона) позволяет создать компьютер, не требующий непрерыв­ной подачи энергии, так как электроны не покидают эту систему.

81

3. Молекулярные компьютеры, основанные на молекулярных логических элементах памяти, плотность упаковки которых значительно ( в миллиарды раз) выше, чем у кремниевых чипов, а потребление энергии незначительно.

4. Биокомпьютеры, представляющие собой некую систему биологиче­ ских молекул или клеток, способную к самоорганизации и самопрограммиро­ ванию.

Не следует надеяться, что прогнозируемый к 2010 - 2012 годам рубеж уменьшения МТР до 40 - 50 нм осуществится сам по себе в рамках известных технологий микроэлектроники. Для того, чтобы его достичь и превзойти, необ­ходимо активно переходить к реализации вышеуказанных направлений.

Отличительной особенностью конструкции новых поколений микропро­цессоров является возможность достижения объёмной трёхмерной упаковки входящих в них элементов. Современные принципы создания интегральных микросхем позволяют создавать устройства лишь плоской (двумерной) конст­рукции. Это связано с тем, что пленарная технология сводится к тому или ино­му способу воздействия лишь на поверхностные слои материала. При этом в электронных схемах ввод и вывод информации осуществляется через их пери­ферию, а непосредственный доступ к каждому элементу схемы невозможен. В отличие от этого, например, в оптоэлектронном устройстве возможно реализо­вать связь в третьем измерении, т.е., между элементами плоских схем. Иными словами, твердотельные микросхемы являются двумерными конструкциями с одномерным выходом, а оптоэлектронные схемы имеют двумерную систему входа и выхода.

Оптический информационный сигнал, в отличие от электрического, мож­но распределить по трём пространственным координатам одновременно. Пере­ход на оптические вычислительные устройства позволит существенно увели­чить пропускную способность каналов связи, создать большую оптическую па­мять, увеличить быстродействие ЭВМ. Специалисты полагают, что переход на оптоэлектронные логические интегральные микросхемы по своей значимости и эффективности сопоставим с переходом от дискретной к интегральной элек­тронике.

Невзирая на ключевую роль компьютера как базового структурного ком­понента современных информационных сетей и систем, следует иметь в виду, что основная масса электронных компонентов сосредоточена именно в каналах связи и портах (кабели и межсоединения, коммутаторы, преобразователи, адап­теры, маршрутизаторы, станции, спутники связи и проч.). Образно говоря, ком­пьютер также соотносится с современной телекоммуникационной сетью, как телефонный аппарат с АТС.

В настоящее время телекоммуникационные технологии проникли прак­тически во все сферы человеческой деятельности и продолжают своё триум­фальное шествие. Можно выделить несколько основных исторических этапов развития телекоммуникационных технологий:

1. Телеграфные сети (докомпьютерная эпоха).

2. Модемная связь, обеспечивающая передачу данных между отдельными абонентами по выделенным и коммутируемым каналам.

82

3. Сети передачи данных с коммутацией пакетов: дейтаграммные или ис­ пользующие виртуальные соединения (стандарт Х.25, разработанный МККТТ).

4. Локальные вычислительные сети (ЛВС); наиболее распространенные среди них - ЕШегпег и Токеп Кт$».

5. Цифровые сети интегрального обслуживания (18ВЫ) - узкополосные с постепенным переходом к широкополосным.

6. Высокоскоростные ЛВС (Раз* Е&егпе*, РОВ1, РВВ1 II) и высокорост- ные распределённые сети (Ргате К.е1ау, 8МВ8, АТМ), предназначенные, в ос­ новном, для синхронной передачи речевой и видеоинформации.

7. Информационные супермагистрали.

Прогресс в телекоммуникационных технологиях ставит перед электрони­кой всё более усложняющиеся задачи. С другой стороны, автономное развитие и совершенствование элементной базы электронной техники стимулирует раз­витие и возникновение новых информационных технологий. В ближайшем бу­дущем основными направлениями эволюции телекоммуникационных техноло­гий, по-видимому, станут:

• увеличение скорости передачи информации;

• интеллектуализация сетей передачи информации, увеличение их гибко­ сти и управляемости, изменение роли пользователя от пассивного потребителя до активного сотрудника;

• увеличение числа и мобильности пользователей;

• кодирование, сжатие, архивация и защита информации.

Для реализации этих задач электроники в ближайшем будущем предстоит обеспечить прогрессирующее внедрение принципиально новых разработок:

• создание высокоскоростных и мощных компьютеров и суперкомпьте- ров, предназначенных для многомерной обработки информации (на оптоэлек- тронных, молекулярных и биологических чипах);

• использование распределённых межсоединений и внешних сетей на оптоволокне (ВОЛС) с возможным увеличением скорости передачи данных от достигнутого уровня 2,4 Гбит/с (стандарт 8ВН/&ОМЕТ) до 10 Гбит/с;

• создание высокоэффективных лазеров (источников сигнала в оптоэлек- тронных компьютерах) с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 1,3 ч- 1,9 мкм;

• переход от электроннолучевых к жидкокристаллическим дисплеям;

• использование криоэлектронных логических элементов (эффект Джо- зефсона, одноэлектроника, сверхпроводники и проч.);

• электронное обеспечение защиты информации в компьютерных сетях и системах и проч.

83

7.2. Электронные средства защиты информации в компьютерных сетях и