Гизатуллин монография 1

В целом, проведенный анализ современного состояния рассмотренных задач прогнозирования и повышения помехоустойчивости СВТ позволяет выделить следующие тенденции:

–представленные в литературе подходы, направленные на решение проблемы помехоустойчивости на этапе установки СВТ приводят к значительным затратам и в ряде случаев требуют коренной переделки помещений здания и переналадки оборудования [3]. Поэтому, для того чтобы экономический эффект от принимаемых мер по обеспечению помехоустойчивости был максимальный, необходимо их применять с самых первых стадий разработки СВТ

изданий, где они устанавливаются. Последующая экономия средств и снижение коммерческих рисков быстро окупают данные дополнительные затраты. Например, по оценкам ряда авторов, затраты на обеспечение ЭМС технических средств, при данном подходе, составляют не более 2 % от стоимости разработки, а стоимость защищенного объекта возрастает не более чем на 3 – 5 % [113];

–происходит непрерывное повышение быстродействия, что косвенно приводит к снижению динамической помехоустойчивости цифровых элементов, что требует новых, более точных способов прогнозирования и эффективных методов повышения помехоустойчивости;

–методики прогнозирования помехоустойчивости СВТ недостаточно точно учитывают реальные условия их эксплуатации, которые существенно меняют окружающую электромагнитную обстановку (как правило, СВТ находится внутри здания). При этом работы содержат результаты отдельных частных случаев, применительно к различным объектам (или разным уровням одного объекта исследования), т.е. в литературе нет исследований с четкой направленностью на сквозное прогнозирование помехоустойчивости сложных объектов. Например, в данном случае, учет здания, особенностей корпуса СВТ, особенностей самого приемника электромагнитных помех и элементной базы;

–возникают новые преднамеренные источники внешних ши-

рокополосных электромагнитных воздействий и происходит суще-

11

ственное увеличение верхней границы частотного спектра, что приводит к тому, что данные частоты попадают в область собственных резонансных частот исследуемых объектов;

–используются здания, которые очень сильно насыщены современными СВТ, в частности, «Интеллектуальные здания» (ИЗ). Существующие работы отражают только некоторые аспекты проблемы ЭМС в данных зданиях;

–наиболее распространенными информационными линиями связи между СВТ внутри зданий являются кабели на основе неэкранированной витой пары. Сегодня в литературе недостаточно представлены математические модели для анализа электромагнитных помех в неэкранированной витой паре при внешних широкополосных электромагнитных воздействиях;

–анализ проблемы помехоустойчивости СВТ с учетом здания позволяет выявить новые способы его повышения, например, путем оптимизации отдельных подсистем здания;

–рассмотрение помехоустойчивости СВТ с учетом влияния на данный анализ самого здания требует разработки методик имитации электромагнитных процессов на макрообъектах, какими являются здания по отношению к СВТ;

–при внешних широкополосных электромагнитных воздействиях неизбежно возникают резонансные эффекты, которые многократно снижают помехоустойчивость СВТ, поэтому требуются новые, более эффективные технические решения для снижения резонансных эффектов внутри корпусов;

–с появлением новых типов источников требуются новые, экспериментальные инструменты и экспериментальные исследования для имитации данных широкополосных электромагнитных воздействий;

–методики, описанные в нормативных документах в области ЭМС, и основанные на испытаниях на воздействие широкополосных источников, не всегда позволяют количественно оценить помехоустойчивость СВТ внутри зданий.

12

Вывод – требуется современный и точный инструмент для прогнозирования и повышения помехоустойчивости СВТ внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях, который можно применять на ранних этапах разработки. При этом для эффективной работы данного инструмента требуются адекватные теоретические и экспериментальные методики, модели, технические решения и рекомендации.

В рамках данной монографии, в качестве такого инструмента, предложена технология обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий, отличающиеся наличием методики сквозного прогнозирования и новыми методиками и техническими решениями для его повышения.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева Чермошенцеву Сергею Федоровичу за поддержку и ценные советы при выполнении данной работы.

Автор выражает большую признательность коллегам из кафедры «Информационные технологии проектирования электронновычислительных средств» и рецензентам за конструктивные замечания.

13

Глава 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ

1.1. Тенденции развития средств вычислительной техники

В развитии СВТ явно прослеживается тенденция к применению цифровых элементов с высокой степенью интеграции и быстродействия, что позволяет существенно повысить их потребительские свойства (рис. 1.1 и 1.2). Увеличивается и число транзисторов при неизменной площади микросхемы. С другой стороны, снижение напряжения питания, в общем случае, уменьшает разницу логических уровней, а значит, и запас помехоустойчивости (рис. 1.3,

табл. 1.1 и 1.2) [153, 154].

Рис. 1.1. Тенденция снижения технологических норм производства цифровых элементов СВТ: – микроконтроллеры; – высокоскоростные процессоры

14

Рис. 1.2. Тенденция повышения частоты работы цифровых элементов СВТ

Рис. 1.3. Тенденция снижения напряжения питания цифровых элементов СВТ:

– ядро; – внешние цепи

В зависимости от мощности электромагнитных помех цифровые элементы СВТ могут получить необратимые повреждения или временные нарушения функционирования (сбой), что зависит от их стойкости к повреждению и помехоустойчивости. Таблицы 1.3 и 1.4 дают наглядное представление о стойкости электронных компонент к повреждению [22, 155 – 157].

Таблица 1.1

Планы организации International Technology Roadmap for Semiconductors

15

Таблица 1.2

Параметры основных семейств логических интегральных микросхем

* ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика; НВТТЛ – низковольтная тран- зисторно-транзисторная логика (с пониженным напряжением питания); GTL – низковольтная высокоскоростная логика; HSTL – высокоскоростная логика; ЭСЛ – Эмиттерно-связанная логика на переключателях тока; ПЭСЛ – позитивная ЭСЛ; НВПЭСЛ – низковольтная позитивная ЭСЛ; LVDS – низковольтная передача дифференциальных сигналов; ОН – опорное напряжение (2/3 от НП для max выходного напряжения низкого уровня; 1/2 от НП для min выходного напряжения высокого уровня).

Другой тенденцией, в развитии современных СВТ, является все более широкое применение, в качестве основного функционального и конструкционного узла, печатных плат [153, 158]. Применение печатного монтажа является одним из наиболее современных методов создания линий связи в современных СВТ, которые реализуются в виде двусторонних (двухслойных) и многослойных печатных плат (МПП).

16

Окончание табл. 1.3

При сохранении всех возможностей проводного монтажа применение печатного монтажа позволяет: обеспечить значительное повышение плотности межсоединений и возможность миниатюризации СВТ; гарантировать стабильную повторяемость параметров изделий, одновременно с возможностью повышения электрических нагрузок в цепях; повысить надежность и качество СВТ; улучшить вибро-

имеханическую прочность, условия теплоотдачи и устойчивость соединений к климатическим факторам; осуществить унификацию

истандартизацию функциональных узлов и блоков СВТ; уменьшить трудоемкость изготовления аппаратуры и обеспечить возможность механизации и автоматизации ее производства.

17

лоснабжения и энергосбережения; локальная вычислительная сеть; учрежденческие автоматические телефонные станции; система коллективного приема телевизионных сигналов; автоматизированная система лифтового оборудования; система электрочасофикации; местное вещание, оповещение, система управления эвакуацией людей при чрезвычайных обстоятельствах; система безопасности здания. При этом во всех случаях, как правило, СВТ находится внутри здания, которое непосредственно участвует в формировании электромагнитной обстановки вокруг СВТ. В связи с этим, применение СВТ и информатизация современного общества вызывает фундаментальный пересмотр проектов зданий вследствие влияния, которое оно имеет на людей, и требований, предъявляемых информационным оборудованием к окружающему пространству, освещению, электропитанию и другим системам. Например, возникает новая структура – « Интеллектуальное здание» (ИЗ), которая определяет электромагнитную обстановку функционирования современного информационного оборудования, в основе которого лежат высокоскоростные СВТ. ИЗ является ярким примером сложного информационного объекта, который содержит значительное число разнообразных систем на базе современных СВТ, нарушение функционирования которых, по разным причинам, может непосредственно повлиять на эффективность его использования. «Интеллектуальность» здания означает интеграцию информационных технологий с целью обеспечения эффективной среды, удовлетворяющей сегодняшним требованиям, способной адаптироваться к непредвиденным изменениям как в бизнесе, так и в технологии [3]. Переход к строительству ИЗ обусловлен ростом инвестиционной привлекательности подобных проектов не только за счет повышения удобства и безопасности работы персонала, но и благодаря существенному снижению наиболее существенных эксплуатационных расходов в течение всего жизненного цикла ИЗ

(рис. 1.4) [146].

19

Рис. 1.4. Затраты на поддержание функционирования зданий

При этом необходимо отметить, что: цифровые СВТ являются основными, вытеснив аналоговые; на долю программного обеспечения приходится 80 % реализации функций, а на долю аппаратных средств 20 %; под влиянием базовых технологий существенно повышается быстродействие различных систем здания, при которой возрастает роль помехоустойчивости СВТ, входящих в их состав [3]. Основной объединяющей средой слаботочных подсистем здания является СКС. Основным принципом СКС является интеграция вычислительных, телефонных и других коммуникационных сетей в едином кабельном пространстве, объединяя тем самым все оборудование в здании, например, в концепции ИЗ. В соответствии со строгими правилами под СКС (structured cabling system) подразумевается «специально спроектированная система кабельной проводки внутри здания для создания коммуникационной сети масштаба предприятия и обеспечивающая передачу речи и данных» [159, 160, 161]. Единая СКС создается в расчете на длительную перспективу и исключает необходимость прокладки дополнительных кабелей при изменении требований к системе коммуникаций, при подключении нового и перемещении существующего оборудования. При этом, с точки зрения ЭМС и информационной безопасности, на практике, физический доступ к нему нечем не ограничен [3]. Современные СКС допускают использование следующих типов кабелей [161]: неэкрани-

20