Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

Например, европейская лампа EL95 является клоном более ранней американской лампы 6KA5. Есть и обратные примеры: американские 6CA5

иKT88 – клоны европейской лампы EL34. То же самое относится и к советским радиолампам, многие из которых являются клонами американских ламп, полученных по ленд-лизу (например 6Ж4, 6П9), или немецких из трофейной аппаратуры (6Г2, ГУ50). Вместе с лампами копировались и типовые схемы их включения, то есть, фактически, схемы блоков радиоаппаратуры. Поэтому именно благодаря обратной разработке ламповая эпоха стала переходом к типовому проектированию в электронике. В частности, все выпускаемые в мире бытовые прием- ники-супергетеродины строились в основном по трем схемам, которые определялись лампой смесительно-гетеродинного узла: двойной триод, триод-гептод или пентагрид. То же самое относилось и к усилителям низкой частоты. Существовало не более десятка типовых схем их построения в зависимости от выходной мощности: маломощные однотактные на комбинированной лампе типа 6Ф3П, маломощные однотактные с темброблоком на двойном триоде (типа 6Н1П) и выходном пентоде (6П14П, EL84) или лучевом тетроде (6П3С, EL34), двухтактные с триодным фазоинвертором (6Н1П + 2х6П14П), двухтактные многокаскадные (6Н8П + 2х6П6С + ГУ50). Черно-белые телевизоры

ивовсе строились по одной-двум схемам.

Кдругим примерам реверс-инжиниринга в электронике относятся:

–советская игра «Ну, погоди!» («Электроника ИМ-02»), которая является нелицензионной копией японской игры Nintendo EG-26;

–копирование различных электронных блоков без фактической разработки. Известно [54], что многие элементы, в частности ТТЛ различных компаний и национальных стандартов, взаимозаменяемы (например, американская серия интегральных схем 7400 и её советский аналог К(Р)155);

– процессор Am386 компании AMD, который создан ради совместимости

счипом 80386 фирмы Intel и в пользу экономической целесообразности;

–процессоры Super386 38600SX и 38600DX компании Chips and Technologies

созданные методом ОР.

Исследованиеи обратная разработка программ обычноосуществляются с целью дальнейшей модификации, копирования или, например, написания генераторов ключей, алгоритм работы которых получен на основе анализа алгоритма их проверки. Также исследование программ применяется для получения некоторых закрытых сведений о внутреннем устройстве программы – о протоколе сетевого обмена с сервером, аппаратным средством, ключом защиты или о взаимодействии

сдругой программой. Ещё одна область применения – получение информации о способах экспортирования данных из многочисленных проприетарных форматов файлов9.

9 Часто применяется, например, в отношении форматов, поддерживаемых Microsoft Office.

120

С развитием Интернета популярные операционные системы и программы всё интенсивнее исследуются на предмет обнаружения в них уязвимостей, или «дыр». В дальнейшем найденные «дыры» могут использоваться для получения несанкционированного доступа к удалённому компьютеру или компьютерной сети. C другой стороны, обратная разработка применяется для исследования антивирусными компаниями вредоносного ПО c целью добавления его сигнатур в базы своих продуктов.

Одним из широко известных примеров обратной разработки является исследование BIOS персонального компьютера IBM, ставшее серьёзным шагом на пути развития производства IBM-совместимых компьютеров сторонними производителями [54]. Создание сервера Samba, входящего в состав ОС GNU/Linux и работающего с серверами на базе ОС Windows, также потребовало обратной разработки используемогоMicrosoft протокола SMB. Для многих ICQ-клиентов использовалась обратная разработка протокола ICQ.

При обратной разработке программного обеспечения применяются следующие методики [54].

1.Анализ обмена данными, наиболее распространённый в обратной разработке протоколов обмена данными, который производится с помощью анализатора шины

ипакетного сниффера для прослушивания шины компьютера и компьютерной сети соответственно.

2.Дизассемблирование машинного кода программы для получения её листинга на языке ассемблера. Этот способ работает на любой компьютерной программе, но требует достаточно много времени, особенно для неспециалиста.

3.Декомпиляция машинного или байт-кода программы для создания исходного кода на некотором языке программирования высокого уровня.

В настоящее время под reverse engineering чаще всего понимается clean room reverse engineering, то есть процесс, при котором одна группа разработчиков анализирует машинный код программы, составляет алгоритм данной программы на псевдокоде, а если программа является драйвером какого-либо устройства, составляет исчерпывающиеспецификацииинтересующегоустройства. Послеполучения спецификаций другая группа разработчиков пишет собственный драйвер на основе этих спецификаций или алгоритмов. Такой подход позволяет избежать обвинений в нарушении авторских прав на исходную программу, так как по законам, к примеру в США, попадает под понятие fair use, то есть добросовестного использования ориги-

нальной программы. Результат обратной разработки редко идентичен оригиналу, что и позволяет избежать ответственности перед законом, особенно при условии контроля отсутствия этой идентичности и нарушений торговых марок и патентов первой группой разработчиков.

Реверсивный инжиниринг известен с древности. К примеру, Леонардо да Винчи активно использовал его, когда копировал объекты природы с целью адаптации к нуждам человека. ОР сначала отвечает на вопрос: «Как это сделано?», а потом пытается воссоздать копируемый объект. Однако в процессе ОР могут появиться

121

этические и юридические проблемы. Для более подробного знакомства с вопросом ОР рекомендуется обратиться к [55–57].

Оценка применимости разных физических принципов действия ТС к реа-

лизации её целевой функции. Назначение ТС инвариантно к их физической природе, т.е. одну и ту же функцию могут выполнять ТС, работа которых реализована с помощью разных ФЭ и ФПД.

Например, часы, выполняющие функцию отсчета времени, можно реализовать на физических принципах механики (механические часы), ядерной физики (атомные часы) или электроники (электронные часы). Стоит отметить, что даже в основе электронных часов лежит все тот же механический принцип – явление механического резонанса кварцевой пластины, которое является сердцем электронных часов.

Выбор ФПД определяет качество выполнения назначения ТС, а также экономическую составляющую изделия.

Всвязи с этим в ходе анализа потребности в проектировании ТС рекомендуется проводить как можно более широкий поиск функциональных аналогов абсолютно разными принципами действия и осуществлять анализ, можно ли реализовать аналоги, работа которых основана на принципах, отличных от принципов электроники

ирадиотехники, на данных принципах. В некоторых случаях перенос научно-техни- ческих знаний из одной науки или отрасли в другую может привести к изобретению новых ТС или ТС, существенно превосходящих по показателям функционирования аналоги.

Внастоящее время существуют науки, изучающие применимость принципов функционирования объектов одной природы на объекты другой природы.

Например, наука, которая решает инженерно-технические задачи (в том числе радиотехнические) на основе анализа жизнедеятельности живых организмов, называется бионикой. Это прикладная наука о применениивтехническихустройствахисистемахпринциповорганизации, свойств, функций и структур живой природы, то есть о формах живого в природе и их промышленных аналогах. Различают биологическую, теоретическую и техническую бионику. Впереводной литературе чаще употребляется термин «биомиметика» [3].

Маркетинговое исследование завершается нахождением множества функциональных аналогов по назначению и области применения (последнее не является строгим условием). После этого необходимо сделать обзор этих функциональных аналогов, оценку их технических характеристик, определить достоинства, выявить недостатки, определить лучший из аналогов (прототип) и выявить противоречия между потребностями человека и характеристиками прототипа в текущих условиях реальности. При этом нужно понять, почему данный функциональный аналог перестал удовлетворять потребностям человека, ведь раньше все шло хорошо. Что же

122

изменилось? Изменились условия использования, поведение человека или что-то ещё?

Затем необходимо сформулировать технические требования к объекту проектирования (т.е. желаемые технические характеристики будущего изделия). Если прототип удовлетворяет сформулированным техническим и экономическим требованиям, то можно сделать вывод, что потребность в разработке ТС отсутствует и возможно приобретение прототипа. Если прототип не удовлетворяет экономическим требованиям, то необходимо сделать вывод о существовании потребности в разработке ТС с целью уменьшения себестоимости прототипа. В таком случае при отсутствии конструкторской документации делается реверс-инжиниринг и переход к этапу разработки технического задания на проектирование ТС. Если прототип не удовлетворяет сформулированным техническим требованиям, то необходимо сделать вывод о модернизации прототипа, сформулировать противоречия между установленными заинтересованными сторонами требованиями и техническими характеристиками существующего изделия и перейти к этапу разработки технического задания на проектирование ТС.

1.3.6 Патентное исследование

Тщательное маркетинговое исследование может показать отсутствие на рынке функциональных аналогов. В таком случае необходимо осуществить патентное исследование, таккактехническоесредствоможет существоватьв видедокументально оформленной и зарегистрированной в Патентном ведомстве идеи технического решения.

Патент (от лат. patens – открытый, ясный, очевидный, от полного наименования litterae patentes – открытое письмо) – охранный документ, удостоверяющий исключительноеправо, авторствои приоритет изобретения, полезной модели, промышленного образца либо селекционного достижения.

Срок действия патента зависит от страны патентования, объекта патентования и составляет от 5 до 35 лет (ГК РФ, статья 1363, ГК РФ, статья 1424). Автору или соавторам за использование патента выплачивается авторское вознаграждение (по договору с патентовладельцем). За предоставление лицензии на право производства продукта или использования способа патентовладелец (лицензиар) получает (одноразовый) паушальный платёж или ежегодные отчисления от лицензиата, роялти.

Патент выдаётся государственным органом исполнительной власти по интеллектуальной собственности. Например, в Российской Федерации таким органом являетсяРоспатент, в США–Бюропорегистрациипатентов и торговыхмарок. Международное регулирование осуществляют Всемирная организация интеллектуальной собственности (выполняющаяв томчислесоответствующиефункциипри ООН), Объединённые международные бюро по охране интеллектуальной собственности и другие организации. Во Всемирной торговой организации эти отношения регулируются «Соглашением по торговым аспектам прав интеллектуальной собственности».

123

Под изобретением понимается техническое решение в любой области, относящееся к продукту (в частности, устройству, веществу), способу (процессу осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств) или применению (в частности, применению уже известного продукта или процесса по новому назначению).

Правовая охрана, которую предоставляет патент,защищаетрешение, а не задачу. Например, Джеймс Уатт, чтобы решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и обойти патент на кривошипно-шатунный механизм, применил в своей первой модели паровой машины вместо кривошипа планетарную передачу. Патент также не защищает саму по себе идею как таковую, а защищает только конкретное техническое решение, в котором воплощена идея.

Наличие патента может стать помехой разработчикам технических объектов. Егоможнокупить, можнодождаться, когда срок действияпатента закончится, и воспользоваться готовой формулой изобретения, но его действие также можно обойти. Даже наличие законов об охране объектов промышленной собственности (ОПС) и федерального закона № 315 от 26 июля 2006 г «О защите конкуренции» (ст. 14) не гарантирует абсолютную монополию на техническое решение и/или получение вознаграждения за созданные ОПС. Сегодня существует широкий арсенал средств для атаки на патенты, а именно для их обхода или присвоения [58].

Если патенты функциональных аналогов не найдены, следует выяснить можно ли реализовать объект проектирования на основе физико-технических принципов действия, отличных от принципов электроники и радиотехники.

Если это выполнимо, необходимо проверить, можно ли отказаться от объекта проектирования, реализующегопотребность на основепринципов электроники и радиотехники, в пользу его реализации на других физических и технических принципах. Если можно, значит следует сделать вывод об отсутствии потребности в разработке объекта проектирования на основе принципов электроники и радиотехники. Если нельзя, то необходимо провести прогностический анализ способности объекта проектирования приносить ожидаемый экономический эффект.

Особую роль в анализе данного вопроса играет принцип неологии (с лат. знание нового), который заключается в использовании разработчиком физических законов, эффектов и явлений, процессов, конструкций, форм, материалов, их свойств и т.д., новых для данной отрасли техники или новых вообще [7]. Предполагается, что уже где-то и кем-то вне данной отрасли запланированная ТС создана, успешно используется (хотя, может быть, и для совершенно иных целей) и надо только её разыскать и проверить в данных условиях, даже не изменяя её, не приспосабливая. Ясно, что принцип неологии требует от проектировщика широкой инженерной культуры, незаурядной общетехнической и общенаучной эрудиции, хорошей информированности. Не случайно в ряде отраслей техники, по данным Р.П. Повилейко [59], до 80% конструкторских разработок поновой технике невозможнопатентовать, так как

124

предмет этих разработок был кем-то когда-то изобретён, спроектирован, создан. Поэтому наряду с использованием упомянутых выше приёмов обхода патентов [58] использование принципа неологии сулит высокий экономический эффект.

Перенос ТС в новую область использования, какправило, смещает или изменяет первоначально заложенные в техническое решение функции. В одних случаях исходная система оказывается полностью функционально и экономически пригодной к новым условиям работы, в других – лишь частично. Но и в исходном, неизменном виде применение её оказывается нередко экономически оправданным – не случайно столь широкое распространение во всех отраслях техники получили так называемые комплектующие изделия. Общеизвестно, как много даёт для самых разных, казалось бы, отраслей техники аппаратура для исследования космоса, авиации и др.

Также имеется вероятность того, что в данных конкретных условиях экономический эффект может быть и недостижимым. Тогда рекомендуется «заморозить» проект до наступления подходящих условий или полностью отказаться от его реализации.

Обратная ситуация возникает, когда экономический эффект может быть достижим. В таком случае можно сделать вывод о существовании потребности в разработке нового технического объекта или системы. После этого, как правило, проводится исследование проблемной ситуации на основе системного подхода, формулируется изобретательская задача, выявляются административные, технические и физические противоречия [29, 33, 34].

Особое внимание следует уделить постановке изобретательских задач (рису-

нок 1.29).

Рисунок 1.29 – Виды технических задач в зависимости от их первоначальной формулировки [31]

Изобретательские задачи различаются в зависимости от того, какие исходные данныеприсутствуютв ихусловияхи чтоявляетсяцельюрешения(таблица 1.6)[29].

В таблице приведены наиболее часто встречающиеся в изобретательской практике типы задач. Всегда желательно определиться с видом задачи, это помогает выбрать наиболее подходящий метод её решения. Такая классификация достаточно условна. Иногда затруднительно однозначно определить тип задачи, поскольку она может быть отнесена одновременно к нескольким типам. Всегда следует учитывать и тот факт, чтоисходная задача может быть неправильносформулирована. Переформулировка задачи может привести к более простому решению исходной проблемы.

125

Таблица 1.16 – К постановке изобретательских задач

Попытка решить сформулированную изобретательскую задачу может привести к возникновению новой задачи, не менее сложной, чем исходная. Не следует в таком случае сразу отказываться от найденного решения. Рекомендуется решать новую задачу как изобретательскую. Решив ряд задач, мы устраним исходную проблему.

Итак, послевыявления противоречий они последовательноразрешаются с помощью инструментов теории решения изобретательских задач. Получившиеся результатыинтеллектуальной деятельности защищаютсяпатентом, послечегопроектировщик переходит к этапу постановки проектной задачи (разработки технического задания) [29, 33, 34].

1.3.7 Прогнозирование будущих потребностей

Управлять прошлым нельзя: оно уже безвозвратно прошло. Управлять настоящим – это означает просто реагировать на события. Управлять можно только будущим, но для этого надо уметь его предвидеть: какие новые продукты появятся через нескольколет, как будет вести себя рынок, какиеновыевозможности и угрозы могут возникнуть. Умение заметить нарождающуюся тенденцию раньше других, развить опережающее мышление – ключевой навык системного инженера.

Как часто нам приходится читать про забавные и в то же время обескураживающие попытки авторитетных учёных и специалистов прошлого угадать облик нынешнего мира [48].

«Фонограф… не представляет никакой коммерческой ценности», – так в 1880 г. оценил собственное изобретение Томас Эдисон в беседе со своим ассистентом Сэмюэлем Инсуллом.

126

«Полеты на аппаратах тяжелее воздуха невозможны», – писал астроном Саймон Ньюком в одной из своих статей в 1902 г.

«Едва ли человек когда-нибудь сможет использовать энергию атома» (Роберт Милликан, лауреат Нобелевской премии по физике, 1920 г.). «Кому захочется слушать актерскую болтовню?» (Гарри Уорнер, Warner Brothers Pictures, 1927 г.).

«Полагаю, чтобы удовлетворить спрос на компьютеры на мировом рынке, хватит пяти штук» (Томас Уотсон, председатель IBM, 1943 г.). «Нет никакого смысла каждому обзаводиться собственным компью-

тером» (Кен Олсен, президент Digital Equipment Corporation, 1977 г.).

Подобный опыт заставляет нас ещё тщательнее всматриваться в горизонт грядущего, чтобы вовремя успеть разглядеть слабые сигналы, контуры новой наступающей реальности, определяемой совокупным состоянием ценностей, потребностей и запросов человечества, и выработать правильное проектное решение.

Прекрасно осознавая это, западные исследователи разработали множество теорий человеческих мотивов и потребностей с целью научиться управлять будущим социума [60]. Одним из фундаментальных оснований механизмов прогноза и предвидения является концепция соотношения информационных состояний реального мира и наблюдателя (рисунок 1.31). Эта полезная дихотомическая концепция позволяет провести логически полный анализ закономерностей в принятии решений отдельными людьми и группами людей на основе имеющегося у них опыта и того, как этот опыт соотносится с информационным состоянием всего остального мира.

Рисунок 1.31 – Информационные состояния мира и его наблюдателя

Область «known, known» (известно, что известно) является самой простой.

В ней отношения между причинами и следствиями очевидны и мы можем утверждать, что мы знаем вещи, которые знаем.

127

Область «known, unknown» (известно, что неизвестно) является более ком-

плексной, так как в ней отношения между причинами и следствиями требуют анализа или другой формы исследования. Находясь в этой области, мы можем утверждать, что знаем, что существуют некоторые знания, которых мы не знаем.

Область «unknown, known» (неизвестно, что известно) является ещё более сложной по сравнению с предыдущей, поскольку в ней причинно-следственные отношения могут прослеживаться лишь в ретроспективном обзоре и то не в совершенстве. Без эффективных механизмов поиска существующих знаний, которые нам необходимы, эта область является наглядным примером метода проб и ошибок.

Область «unknown, unknown» (неизвестно, чтонеизвестно) является абсолютно неупорядоченной в причинно-следственном отношении на системном уровне, потому как мы не знаем даже того, чего не знаем.

Перенося положения этой концепции на задачи прогнозирования потребностей общества, можно утверждать следующее.

Отсутствие в текущий момент времени потребностей в какой-либо области или сфере человеческой деятельности ещё не означает, что их там нет или они там не появятся через некоторое время [61]. Потребности могут «витать в воздухе» и быть неосознанными. Просто они ещё не оформились в сознании общества. С точки зрения рынка критически важноуметь распознавать существующие, нопока неосознанные потребности и заранее предвидеть появление новых потребностей в будущем. Последнюю задачу решает дисциплина, которая называется прогнозированием [48].

Прогнозирование (от греч. prognosis – предвидение, предсказание) – разработка прогноза – вероятного суждения о состоянии какого-либо явления в будущем. В узком значении это специальное научное исследование перспектив развития ка- кого-либо явления, преимущественно с количественными оценками и с указанием более или менее определённых сроков изменения этого явления. Прогнозирование как одна из форм предвидения научного в социальной сфере находится во взаимосвязи с целеполаганием, планированием, программированием, проектированием и управлением. Там, где объекты неуправляемы (особенно в естественных науках), имеет место безусловное предсказание с целью приспособить действия к ожидаемому состоянию объекта. Но нередко (особенно в общественных науках) обратная связь приводит к самоосуществлению или саморазрушению прогноза путём действий с учётом последнего [41].

Отсюда вытекает методологическая ориентация прогнозирования управляемых (большей частью социальных) явлений на оценку вероятного (при условии сохранения наблюдаемых тенденций) и желательного (при условии заранее заданных норм) состояния объекта с целью оптимизации принимаемых решений. Соответственно разрабатываются поисковый и нормативный прогнозы.

Прогнозирование –процесспредвидения, предсказаниятенденций иперспектив дальнейшего развития тех или иных объектов и их будущего состояния на основе знания закономерностей развития их в прошлом и в настоящее время [62]. Прогнозирование отличают от научного предвидения: первое, как правило, решает более

128

узкие практические задачи. Методика прогнозирования включает ряд приёмов исследования:

1)частно-научные методы, применяемые в рамках отдельных наук;

2)общенаучные методы, применяемые во всех науках (формально-логические, математические, эвристические);

3)общеметодологические принципы диалектики.

Результат прогнозирования называется прогнозом и содержит информацию окаком-либо объекте, опережающую повремени процесс развития данного объекта.

Прогнозирование в области новых потребностей, а следовательно, в области создания новых ТО или новых конструкций существующих технических объектов приобретает все большую значимость и охватывает широкий круг научных и технических направлений. Значение прогнозирования повышается, когда имеет место относительно частое изменение требований, предъявляемых к ТО [7].

Одним из положений научного прогнозирования является то, что утверждение о вероятности наступления определенного события делают на основании анализа событий, которые уже произошли [26]. В условиях огромных потоков информации, имеющей как специальное, так и общетехническое направление, недостаточно личного опыта проектировщика и традиционных методов предвидения развитияТО. В настоящее время в связи с необходимостью научно обоснованного предвидения развития техники, технологии получения новых материалов и т.п. интенсивноразвивается инженерное прогнозирование.

Под инженерным прогнозированием понимают научно обоснованную информацию, отражающую в виде вероятностной категории потенциальные возможности развития техники [63]. Вопросы экономики входят в содержание прогнозирования как составная часть. В то же время техническое прогнозирование создаёт базу для экономических прогнозов.

Эффективность инженерного прогнозирования перед началом проектированияТОвесьма значительна, и расходы на еговыполнениевполне окупаются. Однако для этого необходимо преодолеть ряд сложностей применения методов инженерного прогнозирования, связанных с соответствующей подготовкой исходной информации.

Во-первых, зачастую недостаточен объём исходной информации и отсутствуют количественные данные, по которым можно оценить возможные варианты технических решений. Во-вторых, необходимо учитывать большое число параметров и связей между ними даже в относительно простом проекте, в связи с чем невозможно или весьма затруднительнодать обобщенную оценкутехническомурешению поразным критериям. Эти сложности могут быть существенным образом скомпенсированы за счет знания общих и частных законов эволюции технических объектов, и РЭС в частности.

Основу инженерного прогнозирования составляют три направления, определяющие:

–значимость новых открытий и изобретений;

–цель и техническую стратегию разработки и внедрения ТС;

129