плоские графические изображения (открытки, иллюстрации, схемы и т.п.), которые демонстрируются в отраженном свете. Транспаранты - это особый вид диаобъектов, представляющие собой графические изображения, выполненные на прозрачной пленке и имеющие значительные по сравнению с диапозитивами размеры, что позволяет учителю изготовить их самостоятельно.
Аппаратура ЭСОВ - это диапроекторы, эпипроекторы, эпидиапроекторы (комбинированные аппараты, позволяющие демонстрировать эпи- и диаобъекты) и кодоскопы (графопроекторы).
Следующий класс ИСО - это ЭЗСОВ, которые воздействуют одновременно на зрение и слух, кроме того, они являются динамическими, так как позволяют демонстрировать подвижные изображения, т.е. показать процесс, тогда как ЭСОВ, будучи статическими, позволяют показать только неподвижные изображения, т.е. состояние.
К носителям ЭЗСОВ относятся кинофильмы, телепередачи и видеозаписи, а соответствующая им аппаратура - это киноустановка, телевизионный приемник, видеомагнитофон и видеопроектор.
Современные средства вычислительной техники СВТ представляют собой новый и мощный класс, занимающий особое место в ИСО. Статические и динамические изображения объектов на экране дисплея и звуковые возможности компьютера позволяют апеллировать к зрению и слуху учащихся, и в этом отношении СВТ обладают всеми возможностями ЭЗСОВ.
Реализация диалогового взаимодействия с учащимися качественно изменяет характер «общения» и существенно расширяет область использования СВТ в различных учебных ситуациях.
Носителем информации этого класса ИСО является программное обеспечение (ПрО). Следует отметить, что физическим носителем информации в СВТ служат магнитные и оптические носители, однако именно ПрО делает компьютер каждый раз как бы новым устройством, решающим совершенно другую задачу, и это обстоятельство позволяет нам считать носителем информации именно ПрО.
Аппаратурой этого вида ИСО являются ЭВМ, объединенные, как правило, в информационную сеть (компьютерный класс). В будущем можно полагать, что в ИСО будут широко применяться новейшие информационные технические средства, такие, как мобильные (в том числе карманные) компьютеры и телефоны, объемные экраны и иные новинки, которые могут появиться уже в самое ближайшее время.
Состав ИСО показывает, какими мощными и разнообразными техническими средствами располагает современный учитель. Они об-
разуют область, именуемую техническими средствами обучения -
34
ТСО. Нельзя указать наиболее эффективный вид ТСО, в зависимости от конкретной задачи и учебной ситуации возможно применение любого вида ТСО или их комплекса.
Развитие ИСО происходит в направлении совершенствования технических характеристик ее составляющих и создания комплексов ТСО на базе средств вычислительной техники, осуществляющей управление этими комплексами.
1.7. Элементная база информационных устройств
Современные информационные устройства строятся на основе различных компонентов. Прежде всего, это электронные компоненты. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, в сотовых телефонах и в компьютерах. Для гуманитариев стоит познакомиться хотя бы с основными электронными компонентами.
1.7.1.Пассивные и активные компоненты
Кпассивным компонентам относятся резисторы R, конденсаторы C, катушки индуктивности L, трансформаторы, кварцевые резонаторы и др. Они описаны в электротехнической и радиотехнической литературе. Пассивные компоненты не способны усиливать сигналы, но они могут преобразовывать их. Например, RC- и RL-цепи могут дифференцировать и интегрировать сигналы, отделять их постоянную составляющую от переменной и т.д.
Для построения большинства электронных схем (в том числе логических для ЭВМ, триггеров и т.д.) нужны активные электронные компоненты, способные усиливать электрические сигналы, генерировать и переключать их. К активным компонентам ныне относятся транзисторы и иные многочисленные приборы, а также интегральные схемы.
Многие помнят из школьного курса физики, что первые транзисторы были биполярными. Они представляли собой в разрезе как бы трехслойный пирог в виде структуры p-n-p или n-p-n (p и n это области соответственно с дырочной и электронной проводимостями). Средний слой именовался базой, а крайние были, соответственно, эмиттером и коллектором. Ток базы позволял управлять более сильным током в цепи эмиттер-коллектор.
Биполярные транзисторы и сейчас широко используются в усилительных и импульсных устройствах, в источниках электропитания и в других устройствах. Однако в микросхемах для компьютеров ныне они практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.
35
Конструкция интегрального полевого транзистора представле-
на на рис. 1.9. В полупроводниковой пластине из чистейшего кремния (Silicon) создаются области истока (Source) и стока (Drain) с повышенной концентрацией донорной примеси. Из стока истекают носители электрического заряда, а в сток они втекают, создавая ток стока. Между ними образуется канал. Поверх его расположен слой тончай-
шего диэлектрика и на нем «толстый» слой металла или иного проводящего материала
– затвор (Gate).
Рис. 1.9. Структура полевого транзистора интегральной схемы (источник Intel)
Нормально носителей в канале нет, и он почти не проводит ток. Точнее, через него течет малый ток утечки. Но если на затвор подать положительное напряжение, то в силу явления электростатической индукции в канале появятся электроны – частицы с отрицательной полярностью заряда. Двигаясь от истока к стоку, они создают ток в цепи сток-исток.
Нетрудно понять, что чем больше напряжение на затворе, тем больше будет ток в цепи сток-исток. Однако существует некоторое пороговое напряжение на затворе, ниже которого канал теряет проводимость, то есть прибор закрывается. Входной ток полевого транзистора ничтожно мал, поскольку затвор отделен от остальной структуры транзистора слоем подзатворного диэлектрика.
Таким образом, полевой транзистор, кстати, как и биполярный, может выполнять как функции регулятора тока и усилительного элемента, так и просто ключа – устройства, пропускающего или не пропускающего ток в зависимости от напряжения на входе (затворе). Входное сопротивление полевого транзистора очень велико, но он имеет междуэлектродные емкости, ограничивающие скорость его переключения.
Канал, кстати, может быть индуцированным (т.е. нормально не проводящим ток, как в приведенном выше случае) или встроенным (нормально проводящим ток). К тому же он может быть как n- так p- типа (сейчас в основном применяются n-канальные полевые транзисторы). Такое разнообразие приборов позволяет использовать их для создания схем с различной полярностью питающего напряжения, активных элементов усилителей или просто резисторов, но с очень малыми размерами.
36
1.7.2.Терагерцовые полевые и биполярные транзисторы
К30-летию создания первого в мире микропроцессора 4004 подлинную сенсацию вызвало создание в корпорации Intel нового переключающего и поистине сверхминиатюрного транзистора, полу-
чивший название терагерцового транзистора (TeraHertz) (рис. 1.10).
Приборы способны работать с фантастически высокими частотами
переключения – более 1000 ГГц (или выше 1 ТГц).
Рис. 1.10. Терагерцовый сверхминиатюрный полевой транзистор (источник
Intel)
Этот прибор способен работать в тысячу раз быстрее, чем обычный полевой транзистор с изолированным затвором (рис. 1.9). Прибор как бы утоплен в металле. Изолятор его затвора (Gate) состоит из нового диэлектрика (New gate dielectric) – ноу-хау Intel. Он имеет намного меньшие токи утечки, что позволяет транзистору работать при очень малых рабочих токах. Область транзистора – островок кремния (Silicon) - ограничена и оксидным слоем (Oxide), истоком (Source) и стоком (Drain) транзистора, что позволяет создавать тысячи транзисторов на месте, где ранее удавалось создать всего один (кстати, тоже очень маленький) транзистор.
Intel утверждает, что новый транзистор позволит создавать микропроцессоры с числом в тысячу раз большим, чем даже у Pentium 4, а в них их больше 40 миллионов. Это значит, что оно достигнет уже под сорок миллиардов, да еще без увеличения потребляемой мощности.
На международном форуме разработчиков Intel в Москве (октябрь 2002 года) было сообщено о разработке самого быстродействующего в мире кремниево-
германиевого биполярного транзистора
SiGe HBTs, структура которого показана на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Структура биполярных крем- ниево-германиевых сверхскоростных транзисторов на основе гетеропереходов
37
Кремниево-германиевая база этого транзистора имеет уникально малую толщину. Прибор использует так называемые гетеропереходы (слои разных по свойствам материалов), в разработку которых внес большой вклад лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов (Россия, Санкт-Петербург).
Эти приборы обладают рекордными показателями по скоростям переключения, имеют меньшие шумы и работают при более низких рабочих напряжениях, чем полевые транзисторы со структурой «ме- талл-диэлектрик-полупроводник» - МДП (или MOS). Они используются в коммуникационных и тестовых микросхемах, применяемых для сверхскоростных электронно-оптических устройств.
1.7.3. Трехмерные полевые транзисторы
Вслед за недавно предложенными терагерцовыми транзисторами Intel объявила о создании новых трехмерных (и трехзатворных) полевых транзисторов (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Структура (слева) и микрофотография (справа) трехмерного полевого микроскопического транзистора
Применение такой структуры позволило, не увеличивая общую площадь, занимаемую транзистором в целом, повысить площадь канала и увеличить крутизну транзистора S = ∆Ic/∆Uз. А это увеличивает скорость переключения прибора.
1.7.4. Логические устройства и схемы
Задолго до появления электронных приборов была разработана алгебра Буля, описывающая работу логических устройств. Буль показал, что любые логические и вычислительные операции можно выполнить, имея всего три типа логических устройств – инвертор NO (НЕ), устройство логического сложения AND (И) и устройство логического умножения OR (ИЛИ). Более того, это возможно при использовании всего двух комбинированных устройств - AND-NO и OR-NO.
38
Все эти устройства в настоящее время выпускаются в составе БИС и СБИС, так что конкретные электрические схемы их пользователю неизвестны (да и не нужны). Надо учиться воспринимать их как «черные ящики», которые описываются функциональными зависимостями выходных сигналов от входных.
Инвертор просто инвертирует логический сигнал на его единственном входе. Если на входе действует логический 0, то на выходе будет логическая единица, а если на входе будет логическая 1, то на выходе появится логический 0. Соединив два инвертора в кольцо, можно получить двухстабильное устройство – триггер. Попробуйте сделать это мысленно и убедитесь, что оба состояния и впрямь стабильны.
Двухвходовая схема логического сложения работает следующим образом: если сумма входных сигналов отлична от нуля, то на выходе будет сигнал логической единицы, иначе – логического нуля. А двухвходовая схема логического умножения функционирует так – если произведение сигналов на входа отлично от нуля, то на выходе будет логическая 1, иначе – логический 0. Если на выходе этих схем стоит инвертор, то выходные сигналы будут инвертированы.
Удобно описывать работу логических устройств так называемой
таблицей истинности:
|
NO |
|
AND |
|
AND-NO |
|
OR |
|
OR-NO |
i |
o |
i1 i2 |
o |
o |
i1 |
i2 |
o |
o |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Она устанавливает связь между логическими значениями сигналов на входах (i – input) логических устройств и сигналом на их выходе (o – output).
Эти схемы составляют основу арифметико-логического устройства (АЛУ) процессоров и микропроцессоров. Будучи выполненными на описанных выше сверхскоростных транзисторах, такие схемы обладают уникально высоким быстродействием.
1.7.5. Интегральные микросхемы
Набор активных и пассивных компонентов образует электронное устройство. Это может быть усилитель электрических сигналов, ключ, логическое устройство, триггер, ячейка памяти и т.д. Соединения между элементами описываются электрической или принципиаль-
39
ной схемой. Однако уже давно смысл слова «схема» изменился – им уже называют реальное устройство.
Вскоре после изобретения транзистора появились миниатюрные
интегральные схемы (микросхемы), в которых на одной пластине
(подложке или чипе) стали размещаться вначале несколько десятков, а затем сотен, тысяч и даже миллионов транзисторов, вместе с другими сопутствующими компонентами электронных схем, такими, как диоды, резисторы, конденсаторы и т.д.
Основные элементы схем единовременно формируются путем диффузии различных примесей в глубь поверхности полупроводника
– чистейшего кремния и операций напыления проводящих слоев. Число слоев в этаком «пироге» может достигать десятков. Групповая технология изготовления различных элементов и высочайшая культура производства позволяют получить высокую надежность интегральных микросхем.
Важным геометрическим параметром БИС является их разрешающая способность. Она означает минимальный геометрический размер элементов микросхемы на ее поверхности. Размеры по глубине могут быть намного меньше. Так, если мы говорим о технологии 0,13 мкм, это означает, что минимальная ширина проводника или какойлибо области транзисторов составляет 0,13 мкм. Это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса!
Число операций при изготовлении микропроцессоров фирмы Intel превышает 300. Сама схема имеет микроскопические размеры компонентов и потому и называется микросхемой. Диаметр диска с множеством микросхем доходит до 300 мм
(рис. 1.13).
Рис. 1.13. Вид кремниевого диска с будущими микросхемами на нем (одна выделена)
Далее все определяет искусство создания электронных схем. Ныне даже простенький микропроцессор для стиральных машин или
холодильников содержит сотни тысяч таких транзисторов, объединенных в некоторую очень сложную схему. Их число в одной БИС достигает уже десятков миллионов. Потому такую интегральную схему называют большой (БИС) или даже сверхбольшой (СБИС).
40
Полученные микросхемы подвергаются тщательному тестированию и неисправные микросхемы помечаются. Затем диск разрезается, неисправные микросхемы выбрасываются, а исправные помещаются в корпуса самого разного вида (рис. 1.14) и снова тестируются.
Рис. 1.14. Корпуса некоторых СБИС - микропроцессоров
Корпус современных БИС и СБИС - это очень сложное устройство: число выводов у микропроцессо-
ров составляет несколько сотен и корпус должен предусматривать легкий доступ к ним, например припайку соединительных проводов или размещение микросхем в специальных колодках.
1.7.6. Нанотехнологии в микроэлектронике
Интегральная электроника устремлена в будущее. Недаром эмблемой фирмы Intel были и люди в космических скафандрах (на самом деле они нужны были для защиты микросхем от банальной пыли и перхоти) и забавные марсиане, символизирующие «космические» достижения Intel в развитии микроэлектроники. Заметим, что только в 2002 году затраты Intel на проведение научных исследований составили более 4 миллиардов долларов.
Чтобы микропроцессоры с сотнями миллионов транзисторов не превратились попутно в микроволновые печи (а такая перспектива при работе процессоров на частотах в единицы ГГц, увы, есть), Intel ведет исследования в области нанотехнологий (1 нм = 10-9 м). Уже пал барьер геометрического разрешения в 0,1 мкм. Опытные образцы создаются уже по технологии 90 мкм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами (EUV) удалось получить разрешение менее 50 мкм.
Толщина диэлектрика полевых транзисторов ныне составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием самоформирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев! Уже нынешний уровень развития нанотехнологии позволяет создавать пластины и трубки толщиной в атомный слой, так что возможности этого направления почти безграничны.
41
1.7.7. Микромеханика на кремниевом кристалле
Из экзотических достижений современной микроэлектроники стоит отметить электромеханику на кристалле кремния (MEMS). Речь идет о создании механических защелок, поворотных зеркал, разнообразных механических резонаторов и прочих электромеханических устройств, реализованных на кристалле кремния методами современной микроэлектронной технологии.
Это сверхминиатюрные механические конструкции на кремнии обладают настолько ничтожным весом, что могут перемещаться, поворачиваться и колебаться с невероятно большими частотами, достигающими многих гигагерц. Тем самым открываются возможности создания принципиально новых устройств функциональной электроники, заменяющих громоздкие катушки индуктивности, кварцевые резонаторы, фильтры и прочие устройства аналоговой техники.
MEMS открывают возможности интеграции СБИС с разнообразным периферийным оборудованием, они могут выполнять функции лазерных проекторов изображений на большой экран, печатающих устройств и т.д. Могут создаваться электромеханические фильтры на основе MEMS, столь необходимые для устройств связи. MEMS могут выполнять функции микрохолодильников, различных датчиков, гироскопов, СВЧ- и оптических коммутаторов и др. устройств.
1.8.Появление и развитие ЭВМ
Внаше время основным устройством для получения, хранения, переработки и представления информации, несомненно, стали элек-
тронные вычислительные машины (ЭВМ). Мы уже не представляем себе существование цивилизованного общества без электронных вычислительных машин. Выход из строя крупной ЭВМ или сети ЭВМ в промышленно развитых странах по его последствиям можно приравнять к стихийному бедствию. Рассмотрим, как появились ЭВМ и как они развивались.
1.8.1.Что было до появления ЭВМ
Уже наши предки людей умели подсчитывать число членов своей семьи, количество принадлежащих им животных и вещей, отгибая пять пальцев каждой руки. Состояние древних людей росло, стада домашних животных насчитывали уже тысячи голов, и пальцев рук для вычислений стало мало. И тогда человек придумал первое пятеричное
42
вычислительное механическое устройство – абак. Это была полосатая доска с кучками камней на полосках. Дошедшие до нас счеты – тоже разновидность абака. Они появились в конце XVI века и использовали уже десятичную систему исчисления.
ВДревнем Риме такие устройства именовались как calculi или abaculi – от слова calculus (в переводе галька, камешек, голыш). Отсюда и появилось слово calculus (вычисления) и calculator (это уже совсем по современному – калькулятор или вычислитель). Первые устройства такого типа на самом деле ничего не вычисляли – они служили просто простой механической памятью.
Долгое время подобные «машины» помогали только складывать
ивычитать числа. Но в начале XVII века появились первые логарифмические таблицы, созданные Непером. Затем мир захлестнула волна логарифмических линеек, доживших до наших дней. Увы, точность их изготовления позволяет получать верными только 3 или 4 цифры результатов.
Примерно в 1623 году В. Шиккардом была изготовлена в единственном экземпляре первая механическая счетная машина. Затем французский математик и философ Блез Паскаль в 1642 году изобрел механическую суммирующую машину на шестеренках. А уже в 1674г. Готфрид Лейбниц усовершенствовал ее, сделав возможными умножение, деление и даже извлечение квадратного корня. Он же впервые применил двоичную систему исчисления.
Однако все эти ранние вычислительные устройства не были автоматическими, и ими постоянно управлял человек – пользователь. Первый проект механической машины, управляемой по введенной в
нее с перфокарт программе, был создан в 1834 году Чарльзом Бэббиджем. Для привода машины Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель.
Всвоей машине Бэббидж выделял четыре главных блока:
•склад для хранения чисел (по нынешней терминологии память);
•мельницу для перемалывания-обработки чисел (по-нашему, это арифметическое устройство);
•устройство управления;
•устройство ввода-вывода.
Замечательно, что все эти устройства по существу входят в любую современную вычислительную машину. Так что Бэббиджа можно считать первым архитектором вычислительных машин – архитектура его машины сохраняет свое значение и поныне. Бэббидж также предвосхитил возможность изменения алгоритма решения задач по мере их выполнения.
43