Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Современные тенденции развития радиопередающей техники
Радиопередающие устройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного и радиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.
Радиопередатчики, в которых используются цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, будем далее называть цифровыми радиопередающими устройствами (ЦРПдУ).
Рассмотрим современные требования к РПдУ, которые ставят проблемы, не решаемые в принципе методами аналоговой схемотехники, что вызывает необходимость применения цифровых технологий в РПдУ.
В области телекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывно возрастающие требования к системам передачи информации, элементами которых являются РПдУ:
Обеспечение помехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;
Повышение пропускной способности каналов;
Экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;
Улучшение качества сигналов и электромагнитной совместимости.
Стремление удовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи и вещания. Среди уже известных GSM, DECT, SmarTrunk II, TETRA, DRM и др.
Основным направлением развития систем связи является обеспечение множественного доступа, при котором частотный ресурс совместно и одновременно используется несколькими абонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA и их комбинации. При этом повышают требования и к качеству связи, т.е. помехоустойчивости, объему передаваемой информации, защищенности информации и идентификации пользователя и пр. Это приводит к необходимости использования сложных видов модуляции, кодирования информации, непрерывной и быстрой перестройки рабочей частоты, синхронизации циклов работы передатчика, приемника и базовой станции, а также обеспечению высокой стабильности частоты и высокой точности амплитудной и фазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемых гигагерцами. Что касается систем вещания , здесь основным требованием является повышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков - частоты, модуляции. Очевидно, что аналоговая схемотехника с такими задачами справиться не в состоянии, и формирование сигналов передатчиков необходимо осуществлять цифровыми методами.
Современную радиопередающую технику невозможно представить без встроенных средств программного управления режимами работы каскадов, самодиагностики, автокалибровки, авторегулирования и защиты от аварийных ситуаций, в том числе автоматического резервирования. Такие функции в передатчиках осуществляют специализированные микроконтроллеры, иногда совмещающие функции цифрового формирования передаваемых сигналов. Часто используется дистанционное управление режимами работы при помощи удаленного компьютера через специальный цифровой интерфейс. Любой современный передатчик или трансивер обеспечивает определенный уровень сервиса для пользователя , включающий цифровое управление передатчиком (например, с клавиатуры) и индикацию режимов работы в графической и текстовой форме на экране дисплея. Очевидно, что здесь не обойтись без микропроцессорных систем управления передатчиком, определяющих его важнейшие параметры.
Производство передатчиков такого уровня сложности было бы экономически невыгодно в случае их аналогового исполнения. Именно средства цифровой микросхемотехники, позволяющие заменить целые блоки обычных передатчиков, дают возможность существенно улучшить массогабаритные показатели передатчиков (вспомните сотовые телефоны), достичь повторяемости параметров, высокой технологичности и простоты в их изготовлении и настройке.
Очевидно, что появление и развитие цифровых радиопередающих устройств явилось неизбежным и необходимым этапом истории радиотехники и телекоммуникаций, позволив решить многие насущные задачи, недоступные аналоговой схемотехнике.
В качестве примера рассмотрим вещательный цифровой радиопередатчик HARRIS PLATINUM Z (рис.1.1), обладающий следующими основными особенностями (информация на www.pirs.ru):
А) Полностью цифровой FM-возбудитель HARRIS DIGITTM с встроенным стереогенератором с цифровой обработкой сигнала. Будучи первым в мире полностью цифровым FМ-возбудителем, HARRIS DIGITTM принимает звуковые частоты в стандарте AES/EBU в цифровом виде и генерирует максимально модулированную несущую радиочастоту полностью в цифровом режиме, благодаря чему уровень помех и искажений ниже, чем в любом другом FM-передатчике (16-битовое цифровое качество ЗЧ).
Б) Система быстрого пуска обеспечивает достижение полной мощности по всем показателям в течение 5 секунд после включения.
В) Контроллер на микропроцессорах позволяет осуществлять полный контроль, диагностику и вывод на дисплей. Включает в себя встроенную логику и команды для переключения между основными/дополнительными HARRIS DIGITTM возбудителями и предварительным усилителем мощности (ПУМ).
Г) Широкополосная схема позволяет отказаться от настройки в диапазоне от 87 до 108 МГц (при варианте N+1). Изменение частоты можно произвести вручную переключателями менее чем за 5 минут, и менее чем за 0,5 сек с помощью дополнительного внешнего контроллера.
Рис.1.1
Еще одним примером цифрового радиопередатчика может послужить устройство для беспроводной передачи данных BLUETOOTH (информация www.webmarket.ru), который будет подробнее рассмотрен в п.3.1 (рис.1.2 и табл.1.1).
Рис.1.2.
Табл.1.1. Краткие спецификации Bluetooth
Итак, выделим основные области применения цифровых технологий формирования и обработки сигналов в радиопередающих устройствах.
1. Формирование и преобразование аналоговых и цифровых информационных НЧ сигналов, в т.ч. сопряжение компьютера с радиопередатчиком (групповые сигналы, кодирование, преобразование аналоговых сигналов в цифровые или наоборот).
2. Цифровые методы модуляции ВЧ сигналов.
3. Синтез частот и управление частотой.
4. Цифровой перенос спектра сигналов.
5. Цифровые методы усиления мощности ВЧ сигналов.
6. Цифровые системы автоматического регулирования и управления передатчиками, индикации и контроля.
Следующие разделы содержат более подробную информацию о каждой из названных областей применения цифровой техники в радиопередатчиках.
Список литературы
1. Цифровые радиоприемные системы / Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Радио и связь, 1990. 208 с.
2. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / Под ред. А.Д.Артыма. М.: Радио и связь, 1987. 175 с.
3. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990. 256 с.
4. Семенов Б.Ю. Современный тюнер своими руками. М.: СОЛОН_Р. 2001. 352 с.
Подобные документы
История развития и становления радиопередающих устройств, основные проблемы в их работе. Обобщенная структурная схема современного радиопередатчика. Классификация радиопередатчиков по разным признакам, диапазон частот как одна из характеристик приборов.
реферат , добавлен 29.04.2011
Общие сведения о Bluetooth’е, что это такое. Типы соединения, передача данных, структура пакета. Особенности работы Bluetooth, описание его протоколов, уровня безопасности. Конфигурация профиля, описание основных конкурентов. Спецификации Bluetooth.
контрольная работа , добавлен 01.12.2010
Характеристики радиопередающих устройств, их основные функции: генерация электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Проектирование функциональной схемы радиопередатчика и определение его некоторых параметров.
реферат , добавлен 26.04.2012
Что такое ТСР? Принцип построения транкинговых сетей. Услуги сетей тракинговой связи. Технология Bluetooth - как способ беспроводной передачи информации. Некоторые аспекты практического применения технологии Bluetooth. Анализ беспроводных технологий.
курсовая работа , добавлен 24.12.2006
Задачи применения аналого-цифровых преобразователей в радиопередатчиках. Особенности цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для работы в низкочастотных трактах, системах управления и специализированных быстродействующих ЦАП с высоким разрешением.
курсовая работа , добавлен 15.01.2011
Основные характеристики видео. Видеостандарты. Форматы записи. Методы сжатия. Современные мобильные видеоформаты. Программы, необходимые для воспроизведения видео. Современные видеокамеры. Носители цифрового видео. Спутниковое телевидение.
реферат , добавлен 25.01.2007
Что такое Bluetooth? Существующие методы решения отдельных задач. "Частотный конфликт". Конкуренты. Практический пример решения. Bluetooth для мобильной связи. Bluetooth-устройства. Декабрьский бум. Кто делает Bluetooth-чипы? Харольд Голубой Зуб.
реферат , добавлен 28.11.2005
Расчёт передатчика и цепи согласования. Расчёт структурной схемы и каскада радиопередатчика, величин элементов и энергетических показателей кварцевого автогенератора. Нестабильность кварцевого автогенератора и проектирование радиопередающих устройств.
курсовая работа , добавлен 03.12.2010
Современные виды электросвязи. Описание систем для передачи непрерывных сообщений, звукового вещания, телеграфной связи. Особенности использования витой пары, кабельных линий, оптического волокна. Назначение технологии Bluetooth и транковой связи.
реферат , добавлен 23.10.2014
Основные тенденции развития рынка данных дистанционного зондирования Земли в последнее десятилетие. Современные космические ДДЗ высокого разрешения. Спутники сверхвысокого разрешения. Перспективные картографические комплексы Cartosat-1 и Cartosat-2.
Появление ПК справедливо считают грациозной научно-технической революцией, сравнимой по масштабам с изобретением электричества, радио. К моменту рождения ПК вычислительная техника уже существовала четверть века. Старые ЭВМ были отделены от массового пользователя, с ними работали специалисты (электронщики, программисты, операторы). Рождение ПК сделало ЭВМ массовым инструментом. Облик ЭВМ кардинально изменился: она стала дружественной (т.е. способной вести культурный диалог с человеком на визуально комфортном экране). В настоящее время в мире используются сотни миллионов ПК как на производстве, так и в повседневной жизни.
Информатика и её практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Её технической базой являются средства обработки и передачи информации. Скорость их развития поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Можно утверждать, что история вычислительной техники уникальна, прежде всего, фантастическими темпами развития аппаратных и программных средств. В последнее время идет активный рост слияния компьютера, средств связи и бытовых приборов в единый набор. Будут создаваться новые системы, размещенные на одной интегральной схеме и включающие кроме самого процессора и его окружения, еще и программное обеспечение.
Уже сейчас на смену универсальным компьютерам приходят новые устройства - смартфоны, решающие конкретный спектр задач своего владельца. Развивается система карманных компьютеров.
Характерной чертой компьютеров пятого поколения обязано быть внедрение искусственного интеллекта и естественных языков общения. Предполагается, что вычислительные машины пятого поколения будут просто управляемы. Пользователь сумеет голосом подавать машине команды.
Предполагается, что XXI век будет веком наибольшего использования достижений информатики в экономике, политике, науке, образовании, медицине, быту, военном деле.
Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер внедрения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким спектром функциональных возможностей и черт.
Более перспективные, создаваемые на базе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы. Вычислительные сети - ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные сервисы: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы. Специалисты считают, что в начале XXI в. в цивилизованных странах произойдет смена основной информационной среды.
В последние годы, при разработке новых ЭВМ большее внимание уделялось сверхмощным компьютерам - суперЭВМ и миниатюрным, и сверхминиатюрные ПК. Ведутся поисковые работы по созданию ЭВМ 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут употребляться уже имеющиеся специализированные сетевые МП - транспьютеры - микропроцессоры сети со встроенными средствами связи.
Примерная характеристика компьютеров шестого поколения.
технологический процесс с меньшими проектными нормами ; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.Так, все производители микропроцессоров перешли на технологию КМОП, хотя Intel, например, использовала БиКМОП для первых представителей семейства Pentium. Известно, что биполярные схемы и КМОП на высоких частотах имеют примерно одинаковые показатели тепловыделения, но КМОП-схемы более технологичны, что и определило их преобладание в микропроцессорах.
Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5 В до 2,5-3 В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25 мкм на 0,18 мкм и 0,12 мкм и стремятся использовать уникальную 0,07 мкм технологию (табл.17.1).
| Год производства | 2005 | 2006 | 2007 | 2010 | 2013 | 2016 |
| DRAM , нм | 80 | 70 | 65 | 45 | 32 | 32 |
| МП, нм | 80 | 70 | 65 | 45 | 32 | 32 |
| Uпит, В | 0,9 | 0,9 | 0,7 | 0,6 | 0,5 | 0,4 |
| Р, Вт | 170 | 180 | 190 | 218 | 251 | 288 |
При минимальном размере деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2 мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. Практически все свойства твердого тела, включая его электропроводность, резко изменяются и "сопротивляются" дальнейшей миниатюризации, возрастание сопротивления связей происходит экспоненциально. Потери даже на кратчайших линиях внутренних соединений такого размера "съедают" до 90% сигнала по уровню и мощности.
При этом начинают проявляться эффекты квантовой связи, в результате чего твердотельное устройство становится системой, действие которой основано на коллективных электронных процессах. Проектная норма 0,05-0,1 мкм (50-100 нм) - это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем.
Уменьшение длины межсоединений актуально для повышения тактовой частоты работы, так как существенную долю длительности такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. Например, в Alpha 21264 предприняты специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимодействующие элементы микропроцессора.
Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании традиционных технологий решается путем увеличения числа слоев металлизации. Так, Cyrix при сохранении 0,6 мкм КМОП технологии за счет увеличения с 3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40% и уменьшила выделяемую мощность , исключив существовавший ранее перегрев кристаллов.
Одним из шагов в направлении уменьшения числа слоев металлизации и уменьшения длины межсоединений стала технология, использующая медные проводники для межсоединений внутри кристалла, разработанная фирмой IBM и используемая в настоящее время и другими фирмами-изготовителями СБИС.
Впервые рубеж тактовой частоты в 500 МГц перешагнули микропроцессоры фирмы DEC , которая уже в конце 1996 г. поставляла Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц, в 1997 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 600 МГц, а в 1998 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 750 МГц и выше. В настоящее время ряд фирм выпускает процессоры для персональных компьютеров с тактовой частотой свыше 4 ГГц.
2. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти.
Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш -памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш -памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью. Совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности шин (путем увеличения частоты работы шины и/или ее ширины), так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между процессором, кэш -памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш -памятью, а вторая - на частоте работы основной памяти. При этом частоты работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц для микропроцессоров Pentium Pro -200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.
Общая тенденция увеличения размеров кэш -памяти реализуется по -разному:
- внешние кэш-памяти данных и команд с двухтактовым временем доступа объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт со временем доступа 2 такта в HP PA-8000;
- отдельный кристалл кэш-памяти второго уровня, размещенный в одном корпусе в Pentium Pro ;
- размещение отдельных кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого уровня объемом по 8 Кбайт и общей для команд и данных кэш-памяти второго уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.
Наиболее используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш -памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш -памяти второго уровня. Например, в Pentium II использованы внутрикристальные кэш -памяти первого уровня для команд и данных по 16 Кбайт каждая, работающие на тактовой частоте процессора, и внекристальный кэш второго уровня, работающий на половинной тактовой частоте .
3. Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.
Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).
В настоящее время процессоры могут выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей точкой в такте ограничено двумя для R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.
Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров и предсказание переходов, устраняющие зависимости между командами по данным и управлению, буферы динамической переадресации.
Широко используются архитектуры с длинным командным словом - VLIW . Так, архитектура IA-64 , развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде ( EPIC ). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced , обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3 Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц.
Направления развития компьютерной техники .( тенденции)
На данный момент активно ведутся разработки молекулярных устройств, оптических и квантовых компьютеров, а также ДНК-компьютеров.
В основе молекулярных компьютеров лежат бистабильные молекулы, которые могут находится в двух устойчивых термодинамических состояниях. Каждое такое состояние характеризуется своими химическими и физическими свойствами. Переводить молекулы из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрических и магнитных полей. По сути, эти молекулы являются транзисторами размером в несколько нанометров.
Благодаря малым размерам бистабильных молекул можно увеличить количество элементов на единицу площади. Другим достоинством молекул является малое время отклика, которое составляет порядка 10 -15 с. Соединяют функциональные элементы нанотрубки или сопряженные полимеры.
Другой тип компьютеров нового поколения также основан на молекулах, но уже молекулах ДНК . Впервые ДНК–вычисления были проведены в 1994 г. Леонардом Эдлеманом, профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи торгового агента. В ДНК-компьютерах роль логических вентилей играют подборки цепочек ДНК, которые образуют друг с другом прочные соединения. Для наблюдения состояния всей системы в последовательность внедрялись флуоресцирующие молекулы. При определенных сочетаниях свечения молекул подавляли друг друга, что соответствовало нулю в двоичной системе. Единице же соответствовало усиленное свечение флюоресцентов. Возможно строить последовательности цепочек, в которых выходной сигнал одной цепочки служит входным сигналом другой.
Главное достоинство такого компьютера - работоспособность внутри тела человека, что дает возможность, например, осуществлять подачу лекарства там, где это необходимо. Также такие компьютеры позволят моментально производить идентификацию заболеваний в организме.
Еще два варианта КОМПЬЮТЕРА БУДУЩЕГО - фотонный и квантовый компьютеры. Первый работает на оптических процессах, и все операции в нем выполняются посредством манипуляции оптическим потоком. Преимущества такого компьютера заключаются в свойствах световых потоков. Скорость их распространения выше, чем у электронов, к тому же взаимодействие световых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределено по всей среде, что дает новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связей и создании параллельных архитектур. Производительность оптического процессора может составлять 10 13 -10 15 операций в секунду. На сегодняшний день есть прототипы оптических процессоров, способные выполнять элементарные операции, но полноценных и готовых к производству компьютеров нет.
Квантовый компьютер основан на законах квантовой механики. Для выполнения операций квантовый компьютер использует не биты, а кубиты - квантовые аналоги битов. В отличие от битов, кубиты могут одновременно находится в нескольких состояниях. Такое свойство кубитов позволяет квантовому компьютеру за единицу времени проводить больше вычислений. Область применения квантового компьютера – переборные задачи с большим числом итераций.
КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР - проблема создания
Все прототипы компьютеров будущего – ДНК-компьютеры, молекулярные и фотонные - разные грани одного целого - идеи создания полнофункционального квантового компьютера. Все микрочастицы, будь то кванты, атомы или молекулы - могут быть описаны волновой функцией состояния и подчиняются единым законам квантовой механики. Таким образом, работы над каждым типом компьютеров базируются на одном фундаменте. Но у них есть и общие проблемы. Необходимо научиться объединять частицы в совокупности и работать как с каждой частицей в отдельности, так и с совокупностью в целом. К сожалению, на сегодняшний день технологии не позволяют производить такие манипуляции. К тому же система управления должна поддерживать масштабируемость системы частиц, благодаря которой можно наращивать мощность компьютера. Решение этой проблемы станет очередным прорывом в науке. Над созданием квантового компьютера работают в лабораториях всего мира, в том числе и российских. Например, с 2001 года в Казанском физико-техническом институте начали вести работы в области квантовой памяти и на сегодняшний день исследуют новые твердотельные материалы, пригодные для хранения кубитов. Также решается задача длительности хранения информации, но пока что это время составляет всего несколько миллисекунд. Сергей Моисеев - ведущий научный сотрудник Казанского физико-технического института прокомментировал ситуацию с созданием квантового компьютера так: «Насколько я себе представляю, дело в том, что сложность этой проблемы была не сразу осознана. После того как был проведен первый цикл исследований, были сформулированы проблемы, в том числе и физические, которые предстояло решить. На данный момент создание квантового компьютера напоминает своего рода современный Манхэттенский проект. Цель - создать квантовый компьютер, оперирующий 1000 кубитами, с возможностью его масштабируемости».
Однако развитие квантового компьютера тормозят не только технические проблемы, но и экономические. Долгое время на решение этой задачи выделялось крайне мало средств, особенно в России. Инновационный проект, в случае его успеха, начнет приносить доход лишь спустя длительное время, при этом на этапе старта потребуются крупные капиталовложения. Сейчас, когда преимущества квантового компьютера стали очевидны, начали появляться и инвестиции, но их доля относительно других отраслей по-прежнему невелика.
Что же касается текущей ситуации в мире, то уже есть модель, работающая на двух кубитах. Конечно это не 1000, к которым стремятся ученые, но он уже может найти множители, на которые разлагается число. Потенциал же килокубитного квантового компьютера огромен. Он сможет за минуты просчитывать данные, на которые у нынешних систем уйдут годы, а то и десятилетия. С точки зрения информационной безопасности, как только будет построен квантовый компьютер, все системы защиты данных с открытым ключом рухнут, так как квантовый алгоритм позволяет быстро взломать коды. Самый производительный современный компьютер, если и решит эту задачу, то за несколько лет. Сегодня криптозащита держится только по той причине, что квантовый компьютер находится в самом начале своего развития и 2-3-х кубитов не достаточно для взлома шифров.
Предвидя такое развитие событий, компании задумываются о квантовой криптографии, против которой компьютер нового поколения будет бессилен. Особенность квантовой криптозащиты в том, что при попытке «подслушать» информацию она разрушается по закону неопределенности Гейзенберга. Таким образом, при попытке получить доступ к зашифрованному потоку, информация в нем будет утеряна. Однако не стоит считать неуязвимость квантовой криптозащиты абсолютной, как и в любой системе, в ней есть свои слабые места.
Специалисты утверждают, что ближайшая реализация квантового компьютера - система finger printing в научном мире известная, как метод характеристических признаков. Она будет содержать примерно 20-30 кубитов и предназначена для выделения «струны» – последовательности данных из базы данных, содержащей небольшой бит информации с некими характерными признаками. И если сравнить эту «струну» со «струной» из другой базы, то с определенной долей вероятности можно определить, одинаковые эти базы данных или нет. В течение нескольких ближайших лет фирма HP собирается представить такой компьютер, работающий на квантовых точках. Нити с определенной вероятностью довольно точно описывают исходную базу. И если две выбранные последовательности признаков совпадают, то можно предположить, что и исходные базы данных одинаковы. Например, при сканировании сетчатки глаза в системе контроля доступа можно снимать информацию не обо всей сетчатке, а только определенные параметры. Совокупность таких параметров и будет «струной». Квантовый компьютер не будет конкурентом нынешним, скорее, он предназначен для решения задач с огромным количеством исходной информации и большим числом переменных. Такие задачи характерны для систем криптографии и безопасной передачи данных, биологии и медицины, моделирования квантовых систем, оптимизации различных процессов.
- 49.08 КбПервой волной компьютерной революции принято считать появление мэйнфреймов, предоставивших предприятиям доступ к огромным информационным ресурсам. На этом этапе весомую роль сыграла компания IBM. Ее унаследованные системы и сегодня все еще широко применяются различными организациями по всему миру.
Вторая волна связана с распространением персональных компьютеров в начале 80-х годов. Благодаря ПК, информационные технологии стали доступными для конечных пользователей, что дает основание называть данный этап "демократизацией вычислений". Важнейшая роль здесь принадлежит корпорации Microsoft, разработавшей самые популярные ОС для настольных систем.
Инвестиции в инфраструктуру и сервисы Интернет вызвали бурный рост отрасли информационных технологий в конце 90-х годов XX века. Сегодня наблюдается бурное развитие локальных и глобальных сетей. Сетевые возможности становятся обязательными атрибутами ОС (операционной системы) для ПК, а сетевые серверные ОС - ареной конкурентной борьбы ведущих компаний. Новый этап должен привести к качественному изменению всего характера вычислений.
Мы стоим на пороге третьего этапа компьютерной революции, которая приведет к реализации возможности непрерывного обмена информацией через глобальные сети. В этом случае накопленные знания станут доступными в электронной форме и будут передаваться по сетям, универсальный доступ к глобальной сети фундаментально изменит современные методы работы, образования, управления, способы проведения досуга и характер развлечений.
Переходу к новому этапу способствует и сама технология. По мнению специалистов, в течение ближайшего десятилетия базовые компьютерные технологии не столкнутся с существенными физическими ограничениями, что позволит наращивать вычислительную мощность микропроцессоров и емкость устройств дисковой памяти теми же темпами, что и сегодня. В то же время для микропроцессоров, памяти, программного обеспечения определяющей является технология коммуникаций. По мере наращивания мощности клиентов и серверов необходимость в быстрой передаче больших объемов данных становится все более острой, поэтому следующим этапом должны стать наращивание мощности сетевых технологий. Эволюция средств связи приводит к применению каналов со все более высокой пропускной способностью, что даст возможность передавать по ним все типы данных и обеспечить такими средствами каждый дом. Что касается программного обеспечения, то оно превратится в среду интеллектуальной поддержки, направляющую действия пользователей.
Для персональных компьютеров различных видов современные сети предлагают такие услуги, которые еще вчера трудно было представить, включая новые возможности телевидения и развитые системы защиты. Электроника все шире будет использоваться в быту, наделяя "интеллектом" не только теле-, радио- и видеоаппаратуру, но и самые обычные предметы. Развиваемые технологии позволят подключить данные устройства к сети, используя для этого всю существующую инфраструктуру, включая кабельное телевидение и обычную электросеть.
Глобальная коммуникационная сеть, как Internet неуклонно расширяется, приобретая все более важное значение и новые функции. Она все чаще применяется не только для поиска информации и коммуникаций, но и для обучения, электронной коммерции и в других областях, знаменуя начало формирования глобального сетевого сообщества.
Развитие информационных технологий в значительной степени определяет процессы интеграции систем и создания стандартов. Это может в существенной мере отодвинуть сроки воплощения в жизнь тех преимуществ, которые предоставляют новейшие технологии. Например, выполнение программы создания и совершенствования компьютеров пятого поколения, финансируемой японскими фирмами, сдерживается тем, что новая архитектура программного обеспечения пока не сочетается с существующими центрами искусственного интеллекта, новые протоколы не могут быть использованы в старых системах связи, а новые машинные языки не подходят для старых систем и т.д.
Еще одной тенденцией развития информационных технологий является глобализация информационного бизнеса. Чисто теоретически любой человек (или фирма) является сегодня потребителем информации. Поэтому возможности информационного рынка по- прежнему являются беспредельными, хотя и существует довольно жесткая конкуренция между основными производителями.
Таким образом, главными, определяющими стимулами развития информационной технологии, являются социально-экономические потребности общества. Экономические отношения накладывают свой отпечаток на процесс развития техники и технологии, либо давая ему простор, либо сдерживая его в определенных границах.
Техника и технология в своем развитии имеют эволюционные и революционные стадии и периоды. Вначале обычно происходит медленное постепенное усовершенствование технических средств и технологии, накопление этих усовершенствований является эволюцией.
Современные тенденции развития средств вычислительной техники
По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с.
Рассмотрим основные направления развитие микропроцессоров.
1. Повышение тактовой частоты.
Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются: более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.
Так, все производители микропроцессоров перешли на технологию КМОП, хотя Intel, например, использовала БиКМОП для первых представителей семейства Pentium. Известно, что биполярные схемы и КМОП на высоких частотах имеют примерно одинаковые показатели тепловыделения, но КМОП-схемы более технологичны, что и определило их преобладание в микропроцессорах.
Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5 В до 2,5-3 В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25 мкм на 0,18 мкм и 0,12 мкм и стремятся использовать уникальную 0,07 мкм технологию.
Год производства |
||||||
При минимальном размере деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2 мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. Практически все свойства твердого тела, включая его электропроводность, резко изменяются и "сопротивляются" дальнейшей миниатюризации, возрастание сопротивления связей происходит экспоненциально. Потери даже на кратчайших линиях внутренних соединений такого размера "съедают" до 90% сигнала по уровню и мощности.
При этом начинают проявляться эффекты квантовой связи, в результате чего твердотельное устройство становится системой, действие которой основано на коллективных электронных процессах. Проектная норма 0,05-0,1 мкм (50-100 нм) - это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем.
Уменьшение длины межсоединений актуально для повышения тактовой частоты работы, так как существенную долю длительности такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. Например, в Alpha 21264 предприняты специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимодействующие элементы микропроцессора.
Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании традиционных технологий решается путем увеличения числа слоев металлизации. Так, Cyrix при сохранении 0,6 мкм КМОП технологии за счет увеличения с 3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40% и уменьшила выделяемую мощность, исключив существовавший ранее перегрев кристаллов.
Одним из шагов в направлении уменьшения числа слоев металлизации и уменьшения длины межсоединений стала технология, использующая медные проводники для межсоединений внутри кристалла, разработанная фирмой IBM и используемая в настоящее время и другими фирмами-изготовителями СБИС.
Впервые рубеж тактовой частоты в 500 МГц перешагнули микропроцессоры фирмы DEC, которая уже в конце 1996 г. поставляла Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц, в 1997 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 600 МГц, а в 1998 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 750 МГц и выше. В настоящее время ряд фирм выпускает процессоры для персональных компьютеров с тактовой частотой свыше 4 ГГц.
Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти.
Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью. Совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности шин (путем увеличения частоты работы шины и/или ее ширины), так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между процессором, кэш-памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая - на частоте работы основной памяти. При этом частоты работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.
Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется по-разному:
внешние кэш-памяти данных и команд с двухтактовым временем доступа объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт со временем доступа 2 такта в HP PA-8000;
отдельный кристалл кэш-памяти второго уровня, размещенный в одном корпусе в Pentium Pro;
размещение отдельных кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого уровня объемом по 8 Кбайт и общей для команд и данных кэш-памяти второго уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.
Наиболее используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня. Например, в Pentium II использованы внутрикристальные кэш-памяти первого уровня для команд и данных по 16 Кбайт каждая, работающие на тактовой частоте процессора, и внекристальный кэш второго уровня, работающий на половинной тактовой частоте.
Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.
Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).
В настоящее время процессоры могут выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей точкой в такте ограничено двумя для R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.
Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров и предсказание переходов, устраняющие зависимости между командами по данным и управлению, буферы динамической переадресации.
Широко используются архитектуры с длинным командным словом - VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3 Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц.
Системы на одном кристалле и новые технологии.
В настоящее время получили широкое развитие системы, выполненные на одном кристалле - SOC (System On Chip). Сфера применения SOC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий.
Основной технологический прорыв в области SOC удалось сделать корпорации IBM, которая в 1999 году смогла реализовать сравнительно недорогой процесс объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и оперативной памяти. В новой технологии, в частности, используется так называемая конструкция памяти с врезанными ячейками (trench cell). В этом случае конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре, и в 2-4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Следует отметить, что хотя кристаллы, объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение никоим образом не сказывается на производительности.
Описание работы
На протяжении всей истории человечество овладело сначала веществом, затем энергией и, наконец, информацией. На заре цивилизации человеку хватало элементарных знаний и первобытных навыков, но постепенно объем информации увеличивался, и люди почувствовали недостаток индивидуальных знаний. Потребовалось научиться обобщать знания и опыт, которые способствовали правильной обработке информации и принятию необходимых решений, иными словами, необходимо было научиться целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи
