РАДИОЭЛЕКТРОНИКА. ЛАЗЕРЫ. ЭВМ

Слово радиоэлектроника, которое столь часто можно видеть па страницах книг, журналов и газет, слышать в лекциях, докладах и выступлениях, носит собирательный характер. Оно включает все то, что связано с теми областями науки и техники, которые имеют отношение к передаче и преобразованию информации, основанной на использовании радиоволн, т. е. электромагнитных воли, имеющих длину больше 5 х 10^-3 см. Обычно радиоволны в зависимости от длины волны разделяют на пять диапазонов: сверхдлинные (длина волны λ>10 км); длинные ( λ =10 ÷1 км); средние (λ=1000÷100 м); короткие (λ = 100÷10 м); ультракороткие волны, УКВ (λ<10 м).

УКВ, в свою очередь, подразделяются на диапазоны: метровый, дециметровый, сантиметровый, миллиметровый и субмиллиметровый.

Напомним, что световые волны имеют длинуλ=5 х 10^-2 ÷ 10^-7 см, в том числе волны видимого света λ = 8 х 10^-5 ÷4 х 10^-5 см. Какой узкой щелкой является видимый свет но сравнению с диапазоном радиоволн!

Само слово радио появилось от латинского radio, что означает «испускаю лучи». Обычно под словом радио теперь понимается способ передачи информации посредством радиоволн (беспроволочный), а также область науки и техники, лежащая в основе этого способа и объясняющая его.

Современный мир трудно представить себе без радио. Радиотелеграфная связь и широко развившееся радиовещание, осуществляемое на ультракоротких, коротких, средних и длинных радиоволнах; также широко развившееся, особенно во второй половине XX в., телевидение с его поистине неисчерпаемыми возможностями; использование телевизионной аппаратуры в местах, трудно доступных или вовсе не доступных человеку (в космосе, на больших земных глубинах, в зонах повышенной радиации и во многих других случаях); появление и развитие радиолокации, позволяющей находить и распознавать искомые объекты путем фиксации отраженных радиосигналов; радионавигация, в которой используются как пассивные (прием на борту, например, корабля или самолета, сигналов наземных радиостанций), так и активные методы (когда на борту имеются радиолокационные установки); широкое применение радиотехники в космических исследованиях, в автоматическом управлении оборудованием и электронных вычислительных машинах (ЭВМ) - вот далеко не полный перечень использования радиометодов.

Выдающийся русский физик и инженер-электротехник Александр Степанович Попов (1859 - 1906) - изобретатель электрической, беспроволочной связи (радиосвязи) - в 1895 г., 25 апреля (7 мая), впервые в мире на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал сделанный им радиоприемник.

Приблизительно годом позже итальянский электротехник и предприниматель Гульельмо Маркони, пользуясь аппаратурой, близкой к аппаратуре Попова, проделал опыт по использованию радиоволн для беспроволочной связи.

Слово электроника, появившееся на свет в XX в., означает также определенную (ныне чрезвычайно важную) область науки и техники. Если говорить о науке, то это вопросы взаимодействия электронов с электромагнитным полем. Что касается техники, то это создание электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных и полупроводниковых), используемых главным образом для передачи, обработки и хранения информации.

Первый период развития электроники, закончившийся в основном в пятидесятых годах XX в., характерен широким применением электровакуумных приборов - электронных ламп, в которых создается движущийся в вакууме поток электронов, отбираемых от катода, и производится с помощью создаваемого электродами электрического поля управление этим потоком. Электронные лампы представляют собой вакуумированные колбы, в центре которых находится источник электронов - катод (обычно вольфрамовая нить накала). Лампы могут иметь различное число электродов: два (диод), три (триод), четыре (тетрод), пять (пентод) и т. д. Электронные лампы нашли очень широкое применение, главным образом в радиоаппаратуре и в ЭВМ первого поколения. В их функции входило: выпрямление переменного тока, преобразование энергии источника тока в энергию электромагнитных колебаний.

Второй период развития электроники, начало которому было положено в пятидесятых годах XX в., определяется переходом (прежде всего в радиоаппаратуре и в ЭВМ теперь уже второго поколения) от электровакуумных приборов (электронных ламп) к полупроводниковым приборам.

Полупроводниками называются такие вещества, электрическая проводимость (Электрическая проводимость вещества (способность проводить электрический ток) - величина, обратная электрическому сопротивлению. ) которых имеет среднюю величину между электропроводностью металлов и диэлектриков. Важным свойством полупроводников является их способность очень сильно изменять свою проводимое. при изменении температуры (при повышении температуры их проводимость резко возрастает), а также в результате изменения освещенности, воздействия электрического поля, потоков быстрых частиц и некоторых других внешних воздействий.

В качестве полупроводников используются главным образом монокристаллы германия и кремния, а также химические соединения некоторых других элементов. Важно отметить, что полупроводники очень чувствительны к загрязнению, т. е. к присутствию в полупроводниковом веществе других, посторонних веществ, даже в самом ничтожном количестве, а также к дефектам кристаллической решетки. Поэтому изготовление полупроводников - дело тонкое и трудное.

Носителями тока в полупроводнике являются электроны проводимости т. е. электроны, способные перемещаться по кристаллу, и так называемые дырки - положительно заряженные носители тока в полупроводнике, или, как их называют в физике, электронные вакансии в кристалле полупроводника, обладающие подвижностью. Не так просто популярно объяснить, что представляют собой положительно наряженные носители тока, названные Дырками. Мы воспользуемся для этого словами известного советского ученого Л. И. Китайгородского из его научно-популярной книги «Электроны» (Китайгородский Л. И. Электроны. М., 1982, с. 76.) . «Представьте себе строй физкультурников. Один человек вышел по каким-то причинам из строя. Осталось свободное место. Хотя это звучит не очень эстетично, скажем так: образовалась дырка. Для того чтобы выровнять строй, дана команда соседу «дырки» передвинуться на свободное место. Но тогда, как совершенно ясно, образуется новое пустое место. И его можно заполнить, приказав следующему человеку занять место «дырки». Если физкультурники будут перемещаться справа налево, то «дырка» будет перемещаться слева направо. Вот эта схема и объясняет позитивную проводимость полупроводников».

В идеальных кристаллах электроны проводимости и дырки появляются всегда парами, в результате чего концентрации обоих типов носителей проводимости равны.

В реальных кристаллах с присущими им примесями других веществ и дефектами структуры равенство обоих типов носителей тока нарушается, и в этом случае проводимость осуществляется только одним носителем тока - отрицательным (электроны проводимости) или положительным (дырки).

Третий период развития электроники, начало которому было положено в первой четверти 60-х годов, именуется периодом микроэлектроники или интегральной микроэлектроники.

Новым в этом случае является создание таких крошечных электронных элементов, что на первый взгляд это кажется фантастикой: посудите сами - до 10 тыс. в 1 см3 полупроводникового кристалла.

Создание интегральных микроэлектронных приборов является еще более тонким и трудным делом, чем производство обычных электронных приборов. Для их производства пришлось отказаться от существовавшей ранее технологии изготовления электронных приборов, заключавшейся в сборке отдельных их элементов - транзисторов, сопротивлений и др., соединяемых между собой проводниками, и перейти к конструированию электронного прибора непосредственно внутри (и па поверхности) полупроводникового кристалла. Эта более чем ювелирная работа производится путем внесения в нужные места кристалла (который должен быть превращен в интегральный, полупроводниковый, электронный прибор, могущий состоять из тысяч электронных элементов примеси с отрицательными или положительными носителями тока. Иными словами, надо реконструировать полупроводниковый кристалл и превратить его в электронный (микроэлектронный) прибор.

Эта сложная работа, на сколько-нибудь подробном описании которой мы не можем останавливаться, была выполнена. Результатом явились различные микроми-ниатюризованиые изделия высокого качества.

Нам предстоит теперь перейти к изложению принципа действия квантовых усилителей в генераторов (в число которых входят оптические квантовые генераторы - лазеры) - предмету, о котором особенно трудно рассказать в популярной форме.

Создание квантовых усилителей и генераторов явилось крупным научно-техническим событием, имевшим большое значение для развития электроники. В основе принципа действия этих приборов лежит особый тип взаимодействия излучения с веществом, открытый Эйнштейном еще в 1917 г.,- вынужденное испускание (рис. 54).

Рис. 54. Схематическое изображение трех типов взаимодействия излучения с веществом. Слева - состояние системы до элементарного акта, справа - после. Поглощение ослабляет поток фотонов, вынужденное испускание - усиливает

Рассмотрим атом, внешний электрон которого может двигаться по разным орбитам, обладая соответственно энергией Е₁, Е₂, Е₃ и т. д. (см. рис. 54). Пусть сквозь такой атом пролетает фотон с энергией s = hv = E ₂ - Е₁. Если атом находится в состоянии с энергией Е₁, то он может поглотить такой фотон и перейти в состояние Е₂ (возбудится); электрон перейдет при этом на более удаленную от ядра орбиту 2. Произойдет акт поглощения.

При этом в потоке фотонов станет на один фотон меньше.

Возбужденный атом может испустить фотон и перейти при этом в состояние с энергией Е₁. Электрон атома перейдет на орбиту 1. Произойдет акт спонтанного (самопроизвольного) испускания. Это второй тип взаимодействия излучения с веществом.

Третий тип взаимодействия излучения с веществом сводится к следующему. Атом возбужден и находится в состоянии с энергией Е2. Летят фотоны с энергией hv = Е₂ - Е₁. Оказывается, пролетающий фотон может стимулировать переход 2+1. Испущенный при этом атомом фотон по всем параметрам (частота, направление движения и др.) идентичен фотону, который стимулировал переход. Это и есть вынужденное испускание. Поток фотонов при этом усиливается.

Число актов поглощения, ослабляющих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 1 (n₁). Число актов вынужденного испускания, усиливающих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 2 (n₂). Ясно, что если n₂>n₁ то усиление потока фотонов будет преобладать над его ослаблением. Интенсивность потока фотонов по мере движения в такой среде будет возрастать. Это и есть принцип действия квантового усилителя.

Среды, у которых атомов в состоянии Е₂ больше, чем в состоянии Е₁ (среды с «инверсной заселенностью»), могут быть созданы различными способами: воздействием внешнего излучения, посредством химических реакций и др. Инверсная заселенность может быть создана в газообразных, жидких и твердых телах, а также в низкотемпературной плазме.

Рис 55. Схема квантового усилителя (а) и квантового генератора (б)

Рис. 55 поясняет принцип действия квантового усилителя. Здесь же показана схема квантового генератора. В последнем случае нет внешнего потока фотонов, который (как в квантовом усилителе) усиливается при прохождении среды с инверсной заселенностью. У квантового генератора в торцах трубки, в которой создается инверсная заселенность, устанавливаются два зеркала: обычное (А) - у одного торца и полупрозрачное (Б) - у другого. Поток фотонов движется вдоль оси трубки. Попадая на полупрозрачное зеркало, фотоны частично проходят сквозь него. Остальные фотоны отражаются и летят в противоположном направлении (на рис. 55 справа налево), затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов в результате каждого прохождения среды с инверсной заселенностью многократно усиливается. Разумеется, квантовые усилители и генераторы непрерывного действия требуют постоянного восстановления инверсной заселенности (часто называемой накачкой или подпиткой).

Чрезвычайно важным свойством квантовых усилителей и генераторов является почти полное отсутствие угловой расходимости потока фотонов, выходящих из прибора. Поэтому интенсивность потока (количество энергии, проходящей в секунду через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно лучу) почти не изменяется с пройденным расстоянием (Напомним, что у прожектора вследствие значительной угловой расходимости луча интенсивность светового пучка обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. ). Это связано с отмеченной выше идентичностью фотонов, стимулирующих акт вынужденного излучения, и фотонов, родившихся в результате этого акта.

Квантовые усилители и генераторы (особенно квантовый генератор оптического диапазона волн - лазер (Название лазер возникло как сочетание первых букв английского определения «Light Amplification by Simulated Emission of Radiation» (усиление света в результате вынужденного излучения).) получили широкое практическое использование.

Лазеры получили широкое применение в технике (в обработке металлов, в частности в их сварке, резке, сверлении), в медицине (в хирургии, офтальмологии), в различных научных исследованиях. Перечисленное применение лазеров является, несомненно, только началом. Известные советские ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров являются одними из основоположников теории и создания квантовых генераторов.

Создание квантовых генераторов стало началом развития нового направления электроники - квантовой электроники - науки, которая занимается теорией и техникой различных устройств, действие которых основано на вынужденном излучении и на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К числу таких устройств, кроме квантовых генераторов (в том числе лазеров), относятся усилители и преобразователи частоты электромагнитного излучения, а также квантовые усилители СВЧ (сверхвысокой частоты), квантовые магнитометры и стандарты частоты, лазерные гироскопы (лазерные приборы, свойство которых - неизменное сохранение оси вращения в пространстве - позволяет использовать их для управления самолетами, ракетами, морскими судами и т. д.) и некоторые другие.

Электронные приборы и устройства нашли широкое применение, стали незаменимыми в аппаратуре связи, автоматике, измерительной технике, электронных вычислительных машинах и во многих других очень важных областях.

Радиоэлектроника, широко вошедшая в производство, науку, быт людей, является одним из самых главных направлений технического прогресса, мощным средством повышения производительности труда.

Мы остановимся в этой книге несколько подробнее на двух объектах - космических радиолокаторах (радиолокационной астрономии) и ЭВМ,- являющихся детищем радиоэлектроники.

За последние приблизительно 20 лет в астрономических наблюдениях все большее использование получали методы радиолокации, состоящие в том, что с Земли на изучаемый небесный объект направляются радиоволны, а затем, отраженные от объекта, они фиксируются на Земле. По сумме времени, затраченного на движение радиоволн от Земли до небесного объекта, и времени, необходимого для возвращения отраженных объектом волн на Землю, можно определить расстояние между Землей и небесным объектом.

Таким образом, наряду с оптическими телескопами, которыми астрономы пользуются свыше 200 лет и которые позволили составить довольно точную картину движения небесных тел Солнечной системы, появились радиолокационные астрономические устройства, была создана радиолокационная астрономия.

С помощью такого рода устройств оказалось возможным не только определить расстояние между телами Солнечной системы, но и их движение, вращение, размеры, свойства пород, из которых они состоят, и некоторые другие величины, их характеризующие.

Оказалось также, что измерение ряда величин может быть проведено методами радиолокационной астрономии значительно точнее, чем оптическим телескопом. Так, измерение расстояния до планет Солнечной системы гораздо точнее можно осуществить с помощью радиолокационной астрономии.

Как известно, среднее расстояние от Земли до Солнца называется астрономической единицей. С помощью оптических телескопов эта величина в 1950 г. была определена равной 149527000±10000 км. Проведенные десятью годами позже в СССР, Англии и США практически совпадающие между собой измерения астрономической единицы радиолокационным способом дали существенно отличный результат: 149597868±0,3 км, т. е. приблизительно на 70 тыс. км больше, чем ранее было принято астрономами на основании измерений оптическими телескопами. Ошибка прежних измерений оказалась в семь раз больше предполагаемой.

Собственно говоря, в этом не было ничего удивительного. Дело заключается в том, что оптическими методами невозможно проведение прямого измерения расстояния от Земли до какого-нибудь небесного тела. Приходилось использовать косвенные методы, основанные на измерении разности угловых положений небесного тела, на небесной сфере при наблюдении этого тела из различных точек земной поверхности, расстояния между которыми должны быть известны. Следует иметь в виду, что в построенном на основе такого рода измерений треугольнике известное расстояние (расстояние между двумя точками на поверхности Земли) всегда гораздо меньше, чем два других, неизвестных (искомых). Таким образом, данные, полученные путем прямого измерения с помощью астрономических радиолокаторов, отличаются высокой точностью.

Известный советский ученый Владимир Александрович Котельников (р. 1908 г.) пишет по этому поводу: «Интересно отметить, что достигнутая точность измерения расстояний космическим локатором на несколько порядков выше, чем точность геодезических измерений расстояний на поверхности Земли. Это обусловливается тем, что в первом случае радиоволны проходят основной путь в безвоздушном пространстве, где их скорость строго постоянна.

Кроме измерения расстояний, локаторы, как было упомянуто, позволяют измерять скорости сближения с планетой или удаления ее от нас - также с очень большой точностью - по смещению частоты колебаний отраженного сигнала. Например, скорость изменения расстояния до Веисры измерялась нами с точностью, превосходящей 1 см/с...

...Радиолокация позволила намного точнее, чем раньше, предвычислять положение планет, что стало сейчас необходимым для космических полетов» (Котельников В. А. Радиолокационная астрономия.- Вести. АН СССР, 1982, № 6, с. 52.).

В связи с проводившимися в Советском Союзе исследованиями космического пространства и планет Солнечной системы большая работа была проведена по созданию повой теории движения так называемых внутренних, или земных, планет Солнечной системы, к числу которых, кроме Земли, относятся Меркурий, Венера и Марс. Эти четыре планеты (включая Землю) близки между собой по размерам, химическому составу, средней плотности вещества. Было проведено большое количество радиолокационных наблюдений.

Как уже говорилось, методы радиолокационной астрономии дают возможность определять врэмя вращения планет вокруг собственной оси. До появления радиолокаторов эта задача решалась с помощью оптических инструментов путем фиксации перемещения отдельных наблюдаемых точек на поверхности планеты. Использование оптических методов встретило затруднения применительно к Венере, поскольку эта планета покрыта густыми облаками. Отдельные наблюдатели оценивали период ее вращения от 15 часов до 225 земных суток.

Применение радиолокационных методов позволило с большой точностью измерить период вращения Венеры вокруг своей оси. По данным, полученным в Советском Союзе, эта величина принимается в настоящее время равной 243,04±0,03 земных суток, а по данным, полученным в США,- 243,16 суток. Сходимость очень хорошая. Было установлено, что Венера вращается в сторону, противоположную вращению других планет Солнечной системы. Объяснение этому феномену до сих пор не найдено.

С помощью локационных измерений оказалось возможным определить рельеф планеты. На рис. 56 представлен профиль высот поверхности Марса на параллели 21° с. ш. (Котельников В. А., Петров Г, М. Радиолокационная астрономия.- В кн.: Наука и человечество, 1982, с. 215, рис, 12.).

Рис. 56. Профиль Марса вдоль его экватора на широте 21° с. ш.

Относительно космического локатора, использовавшегося в описанных экспериментах. Направление радиоволн на исследуемое небесное тело и прием радиоволн, отраженных от этого тела, производился с помощью большой параболической антенны с диаметром параболоида 70 м, установленной в Центра космической связи в Крыму (рис. 57) (Там же, с. 205, рис. 2..) От мощного передатчика радиолокатора с помощью этой антенны на поверхность Венеры при минимальном расстоянии между Землей и Венерой передавалось несколько сот ватт, а при максимальном расстоянии - несколько ватт.

Рис. 57. Приемно-передающая полноповоротная антенна

Большой параболоид локатора был создан с высокой степенью точности - отклонения от идеальной поверхности не превышали 1 мм. Особенно важно было то, что даже при сильном ветре, вызывающем некоторую деформацию, параболоид сохраняет форму с требуемой точностью. В этом сказалось умение конструкторов и строителей, которыми руководил известный советский ученый и инженер, академик Николай Прокофъевич Мельников.

Приемное устройство локатора должно было обладать огромной чувствительностью. Для этого принимаемый сигнал сначала усиливался парамагнитным усилителем (мазером (От первых букв англ, слов «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (усиление микроволи в розультате вынужденного излучения).), т. е. квантовым генератором микроволы) на кристалла рубина, охлажденного жидким гелием до температуры 4 К (-269° С), а затем поступал на усилители обычного типа. В целом чувствительность приемного устройства была необычайно высокой.

В этом разделе нам осталось остановиться еще на одном очень актуальном факторе научно-технического прогресса - ЭВМ.

Тенденция заменить физический, ручной труд человека сначала мускульной силой прирученных животных, а затем машинами (двигателями и механическими орудиями) - очень старая тенденция, развитие которой сопровождалось качественными скачками. Одним из таких скачков было, например, создание самолета - летательного аппарата тяжелее воздуха, поднимающегося с земли и затем летящего над ней наподобие огромной механической управляемой, по желанию - с борта или с земли, птицы.

По мере развития человеческой цивилизации все более возникала потребность в машинизации умственного труда, естественно в той мере, в какой это представлялось возможным.

Следует отметить, что память является непременным условием умств: иного труда. В человеческой памяти хранится огромное количество сведений, или, как теперь говорят, огромное количество информации, получаемой разными путями человеком за время его жизни. Информация - основной материал процесса мышления человека.

Ниже мы кратко расскажем о современных электронных вычислительных машинах, но прежде хотелось бы обсудить вопрос, по которому иногда ведутся споры, высказываются различные точки зрения, а именно: может ли быть создана настолько совершенная машина, чтобы она имитировала человеческий интеллект? В значительной мере этому вопросу посвящен сборник статей «Кибернетика. Перспективы развития» сиерии н( (Кибернетика. Перспективы развития: Сб. статей. М., 1981. (Кибернетика. Неограниченные возможности и возможные ограничения). )«Кибернетика. Неограниченные возможности и возможные ограничения».

Конечно, современные ЭВМ могут выполнять некоторые виды умственной работы человека лучше, чем сам человек. Общеизвестно, например, что многие сложные вычисления современные ЭВМ могут проделать лучше и гораздо быстрее человека.

Однако перед тем, кто поставил бы своей задачей создать такое совершенное техническое устройство, которое обладало бы человеческим интеллектом, сразу возникли бы огромные трудности. Прежде всего создать такое до неправдоподобия совершенное устройство, каким является человеческий мозг - центр высшей нервной деятельности, продукт длиннейшей эволюции,- задача невероятно сложная.

Есть, однако, еще препятствие. Дело в том, что человек имеет общественную природу, он, по словам Маркса, «совокупность всех общественных отношений». Мотивы поступков человека, его волеизъявление в своем большинстве носят социальный характер.

Некоторые ученые считают: если, преодолев все трудности, удастся создать устройство, обладающее большой близостью к человеческому интеллекту, то знака равенства между ними все же поставить не удастся; так же как относительная истина стремится к абсолютной, но никогда ее не достигает.

Перейдем теперь непосредственно к ЭВМ - устройствам или совокупностям устройств, назначением которых является обработка информации, выполнение вычислений.

Создание первых устройств и приспособлений, облегчающих выполнение операций счета, относится, по-видимому, к IV в. до н. э. В античном мире широко использовалось устройство «абак», которое можно считать прообразом канцелярских счетов. Разновидности счетов - «суань линь» - применялись в Китае во II в. н. э. Римлянином Витрувием в I в. до и. э. было изобретено устройство для подсчета числа оборотов колеса - так называемый таксометр: при каждом обороте колеса выпадал камешек. Прибор аналогичного назначения у греков назывался годометром, в этом приборе имелся циферблат.

В 1617 г. шотландский математик Д. Непер создал «палочки Непера» - устройство, выполняющее умножение многозначных чисел на однозначные. В XVII в. Б. Паскаль, а позднее Г. В. Лейбниц создали механические вычислительные машины. В отличие от машины Паскаля, которая выполняла только сложение и вычитание, машина Лейбница выполняла также умножение и деление, возведение в степень и извлечение квадратного корня. Известно также о создании в 1742 - 1756 гг. М. В. Ломоносовым механических счетчиков и регистров. В России в 60 - 90-х годах XIX в. академиком П. Л. Чебышевым было разработано несколько механических вычислителей. В 1874 г. русский инженер В. Т. Однер создал арифмометр оригинальной конструкции, которая оказалась настолько удачной, что к настоящему времени известно неций должны были быть переведены на язык перфокарт.

Проект Ч. Беббиджа опережал технические возможности его реализации и не привлек внимания инженеров. Лишь примерно через 100 лет конструкторы вернулись к идеям Беббиджа.

Важное место в истории вычислительной техники занимает Герман Холлерит, который использовал для обработки результатов переписи населения США в 1890 г. созданную им машнуерфокарту как носитель информации. Интересно отметить, что подобные машины впервые использовались в России в 1897 г. для обработки результатов переписи населения.

С именем Холлерита связано также основание первой фирмы, специализирующейся на производстве перфокарт и счетно-перфорационных устройств. Впоследствии эта фирма была преобразована в фирму IBM - ныне одну из крупнейших в мире по производству ЭВМ.

Несмотря на то что все, казалось бы, предпосылк и для создания быстродействующих счетных машин были налицо, первые ЭВМ появились лишь в 40-х годах нашего столетия. Это объяснялось необходимостью создания как адекватного теоретического базиса, так и соответствующих технических систем, основанных на радиоэлектронике. В конце 30-х годо в английский математик А. Тьюринг показал, что различные проблемы могут быть решены с помощью машин, если эти проблемы или задачи могут быть выражены посредством конечного числа операции. В 1940 г. американскому математику Норберту Винеру приходит мысль использовать в вычислительных машинах не десятичную систему счисления, а двоичную (в этом случае любое число можно записать с помощью только двух цифр - единицы и нуля, например 2 запишется как 10, а 9 - как 1001), так чтобы главная часть машины имела дело не с арифметическими, а с логическими операциями. С тех пор двоичная система счисления, позволяющая записать любое число посредством комбинации нулей и единиц, равно как и бинарная логика (разработанная Джорджем Булем еще в прошлом веке), оперирующая суждениями, которые могут быть разложены на последовательность вопросов, требующих ответа лишь в форме «да» или «нет» («да» можно обозначить единицей, а «нет» - нулем), стала играть ключевую роль в вычислительной технике.

В то же самое время, а именно к концу 30-х годов, относятся и первые попытки использовать в вычислительных машинах электронные элементы. Вопрос состоял в том, как моделировать логические элементы машины. Это можно было делать с помощью электромеханических реле, но в таком случае скорость счета машины оставалась невысокой - порядка сотен и тысяч миллисекунд на одну операцию. Такая скорость была характерна для первых вычислительных машин, построенных в 40-х годах. Использование электронных ламп для конструирования логических элементов позволило повысить быстродействие машин на три порядка. Первая ЭВМ, использующая три ггеры (логические элементы) па электровакуумных триодах, ЭНИАК (сокращение от английского названия «электронный числовой интегратор и вычислитель»), была создана в Пенсильванском университете в 1945 г. под руководством Дж. Маучли. Несмотря на то что ез работа была основана на десятичной системе счисления, ее быстродействие казалось тогда фантастическим - 0,2 мс на операцию (сложения).

1946 год явился в значительной степени переломным для развития вычислительной техники. Известный американским математик и физик Джон фон Нейман выдвинул и обосновал перспективы создания новых ЭВМ, в них предполагался переход на двоичную систему счисления, а также ввод и хранение программы в памяти ЭВМ аналогично данным. Идеи Неймана и постройка под его руководством новой ЭВМ - ЭДВАК - оказали существенное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники. Заметим, что быстродействие новой машины в четыре с лишним раза превышало быстродействие ЭНИАКа.

Прогресс вычислительной техники в 1940-1950 гг. был обусловлен появлением целого ряда работ по численному анализу. Кроме того, весьма важной оказалась возможность выражения в математических терминах способности машины принимать оптимальные решения, которая следовала из книги фон Неймана и О. Моргенштзрна «Теория игр и оптимальное поведение», вышедшей в 1944 г. Наконец, К. Шенноном и Н. Винером были развиты представления, послужившие основой современной теории связи. Винер пришел к выводу, что математический оператор можно рассматривать как часть механизма управления и что к нему, в свою очередь, приложимы такие понятия, как обратная связь и стабильность, которые были введены для описания механических систем и электрических цепей. Идеи Винера, изложенные в его знаменитой книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном п машине», появившейся в 1948 г., оказались весьма продуктивными, и с их помощью удалось создать общую теорию информации и связи, применимую в самых различных областях - от физики до биологии и языкознания.

В развитии теории информации сыграли важную роль советские ученые А. Н. Колмогоров и А. Я. Хинчып.

В СССР разработка первой отечественной ЭВМ с запоминаемой программой началась в 1947 г. в Киеве, в Институте электротехники АН УССР, под руководством академика С. А. Лебедева (1902 - 1974). Практическое использование этой машины, названной МЭСМ (малая электронная счетная машина), началось в 1951 г.

Серийное производство ЭВМ началось практически одновременно в СССР и США: прототипы первых отечественных машин - БЭСМ-1, «Стрела», М-2 - были созданы в 1952 - 1953 гг.; в США первые серийные машины появились в 1951 г.- IBM-701 и Univac.

Парк ЭВМ увеличивался очень высокими темпами. Если в 1952 - 1953 гг. число электронных машин исчислялось десятками, то в 1965 г. во всем мире использовалось уже около 40 тыс. ЭВМ, в 1970 г.- свыше 100 тыс.

Говоря об областях применения первых цифровых ЭВМ, следует отметить, что наряду с научными расчетами достаточно четко обозначилась другая весьма обширная область применения ЭВМ. - экономические расчеты. Появились ЭВМ, специально сконструированные для этих целей. В основном это были машины последовательного действия: последовательно выполняющие операции над десятичными числами, представленными в двоичной форме, т. е. использовали так называемую десятичную двоично-кодированную систему счисления. Особенностью этих машин является также то, что они обладают большими, по сравнению с ЭВМ для научных расчетов возможностями обработки буквенной информации. Машины этого типа получили широкое распространение.

В своем развитии от первых электронных вычислительных машин с программным управлением до соврем енных ЭВМ вычислительная техника прошла несколько этапов. С каждым таким этапом обычно связывают понятие «поколения» ЭВМ.

К первому поколению ЭВМ (приблизительно 1950 - 1958 гг.) относятся ламповые, т. е. ЭВМ, построенные па электронных лампах с использованием дискретных радиодеталей и методов навесного монтажа. Почти все элементы, применяемые в этих ЭВМ, заимствованы из радиотехнического оборудования.

Первые запоминающие устройства строились на основе электронных ламп, электронно-лучевых трубок или магнитных барабанов и лент.

Дискретные электронные эле менты па лампах были громоздкими, малонадежными, отличались высокой стоимостью и большим энергопотреблением. Все это существенно ограничивало возможности построения сложных устройств ЭВМ (арифметических, управления и др.). ЭВМ первого поколения работали в однопрограммном режиме, отсутствовало совмещение работы отдельных устройств во времени, что в целом наряду с низким быстродействием элементов отрицательно сказывалась на общей производительности ЭВМ.

Ко второму поколению относятся полупроводниковые ЭВМ (примерно 1959 - 1967 гг.), в которых электронные лампы были полностью заменены транзисторами (Транзистор, один из самых замечательных приборов XX в., был изобретен в 1947 г. тремя американскими физиками - V. Шокли, Д. Бардииом и У. Браттейном. Им удалось создать твердотельный электронный усилитель, который выполнял все функции электронной лампы, но не имел ее недостатков, таких, как раскаленный катод, необходимость наличия ьакуума в рабочем объеме и т. д.). В технологии изготовления ЭВМ второго поколения широко применялись методы печатного монтажа.

В ЭВМ второго поколения были применены новые принципы и средства организации работы машин: совмещение операций ввода и вывода данных с вычислениями на центральном процессоре (т. е. в той части машины, которая предназначена собственно для вычислений), повышение быстродействия процессора за счет параллельного во времени выполнения частей одной-двух команд.

Структурно-логические решения, заложенные в наиболее совершенные ЭВМ второго поколения, сделали естественным одновременный ввод и исполнение нескольких программ - так называемое мультипрограммирование. С этим режимом работы ЭВМ связано понятие пакетной обр аботки информации: в ЭВМ загружается пакет нескольких программ с соответствующими данными. Управляющие программы, предназначенные для реализации режима мультипрограммирования, разработанные для ряда ЭВМ в 60 -х годах, являются прообразом операционных систем ЭВМ, относимых к третьему поколению.

Важным достижением вычислительной техники 60-х годов явилось широкое внедрение методов и средств автоматизации программирования.

Программы для первых ЭВМ составлялись на языке команд, используемом индивидуально для каждой конкретной машины. В процессе совершенствования ЭВМ такой метод становится не только неудобным, но и непригодным, если речь идет об описании сложных алгоритмов. Поэтому параллельно с техническим совершенствованием ЭВМ идет работа по созданию универсальных языков, пригодных для широкого класса машин. Важную роль в развитии программирования сыграли работы советских математиков Л. А. Ляпунова и М. Р. Шура-Бура, создавших в 1952 - 1953 гг. так называемый операторный метод программирования. Впоследствии были разработаны универсальные языки, получившие широкое распространение в 60-х годах (АЛГОЛ - от англ. Algorithmic Language, ФОРТРАН - от англ. FORmula TRANslation, КОБОЛ и др.).

В середине 60-х годов появились так называемые интегральные схемы. Интегральная технология позволила в едином технологическом процессе создавать на миниатюрной монокристаллпческой пластинке полупроводника (кремния, германия) значительное количество логических элементов.

Если первые интегральные схемы (ИС) имели малый уровень интеграции (несколько логических элементов на кристалле), то в 70-х годах появились ИС среднего уровня интеграции (СИС), содержащие от нескольких десятков до нескольких сот элементов. Следующий этап интегральной технологии связан с созданием БИС - больших интегральных схем (тысячи элементов).

Важно отметить, что при массовом изготовлении ин-тегральныз схемы оказываются относительно дешевыми. Увеличение уровня интеграции определило устойчивую тенденцию к постоянному снижению стоимости интегральных схем в расчете на один логический элемент.

К третьему поколению ЭВМ (середина 60-х годов) относят машины, построенные на интегральных схемах. Характерной особенностью этого этапа развития вычислительной техники является разработка семейств программно-совместимых ЭВМ, отличающихся большой производительностью, максимальным объемом оперативной памяти, составом периферийного оборудования. Такие семейства ЭВМ позволили решить задачу рационального (с точки зрения затрат) выбора ЭВМ для разнообразных конкретных применений.

Примерами таких семейств ЭВМ являются IBM 360/370 (США) и ЕС (ЕС - единая система.) ЭВМ (страны СЭВ). Машины этих сзмейств отличаются развитыми операционными системами. Интегральная технология и техника микропрограммного управления обусловили возможность увеличить число аппаратно реализуемых операций.

Как уже отмечалось, первоначально ЭВМ предназначались для производства арифметических и логических операций. Основное их назначение определялось необходимостью решения прежде всего вычислительных задач. Только позднее, по мере накопления опыта работы с ЭВМ и развития их устройств, стало ясно огромное значение, которое имеют ЭВМ для хранения и разного рода информационно-логической обработки огромных информационных массивов (так называемых баз данных).

Здесь, может быть, уместно провести такую историческую аналогию: на протяжении многих лет (нескольких десятилетий) кузов легковых автомобилей напоминал скорее кузов конных экипажей (которые он заменил), чем их современный внешний вид.

Новый этап использования ЭВМ связан с появлением быстродействующих и весьма емких запоминающих устройств (на магнитных лентах и дисках, а затем в виде монокристалла), что позволило хранить огромные объемы информации. Справедливости ради следует отметить, что это свойство само по себе еще не позволило бы перейти к эффективному режиму выполнения информационно-логических задач, если бы одновременно не был решен вопрос быстрого поиска в этих массивах. Последняя задача получила свое решение в 60-х годах, когда на базе разработанных соответствующих программных средств начали появляться автоматизированные информационные системы, ставшие прообразом нынешних банков данных.

Здесь следует отметить еще одно чрезвычайно важное обстоятельство. При создании и эксплуатации ЭВМ первых двух поколений практически не решался вопрос обеспечения удаленного доступа к ЭВМ. Появление баз данных и резкое повышение мощности вычислительных ресурсов поставили на повестку дня задачу, связанную с тем, что наиболее эффективное их использование возможно лишь при обеспечении одновременного доступа к ним сразу многих потребителей, находящихся географически в самых разных точках.

Произошло фактическое слияние ЭВМ с системами передачи данных. Для потребителя это означало возможность обращения к любой ЭВМ (и соответствующей базе данных) независимо от географического места расположения этой ЭВМ.

Здесь, возможно, вновь уместно обратиться к другой аналогии, связанной с объединением энергетических установок в единую региональную (а затем государственную и межгосударственную) сеть.

Объединение в единую систему таких средств, как информационно-вычислительные мощности, программные системы, базы данных и системы связи (телефонные, спутниковые, оптико-волоконные и другие каналы), оказало колоссальное влияние па саму концепцию организации хранения и доступа к системам информации («базам знаний»), при которой любой потребитель в произвольный момент времени имеет доступ к специально организованным информационным массивам, расположенным в соответствующих информационно-вычислительных центрах практически любой точки земного шара.

Отмеченная выше возможность хранения, быстрого поиска и передачи информации означает революцию в системах накопления и доступа к освоенным знаниям. Наступает очень важный в жизни человечества этап «безбумажной информатики»: информация поступает к специалистам прямо на рабочее место - на соответствующие устройства отображения (дисплеи), расположенные в удобных и легкодоступных для потребителя местах.

С другой стороны, не менее, а, может быть, даже более важное значение приобретает все более широкое внедрение такого рода средств и в быт.

Таким образом, информационная инфраструктура, основанная на слиянии ЭВМ, систем связи (в том числе космической) и баз знаний, становится важнейшим фактором в дальнейшем развитии электронной и вычислительной техники.

Область применения современных ЭВМ (от дешевых карманных калькуляторов до упоминавшихся выше сверх-машии) широка и разнообразна. Вероятно, наибольшее применение ЭВМ нашли в системах управления технологическими процессами - иначе говоря, в автоматизации производства. Здесь чаще всего применяются микроЭВМ, имеющие высокое быстродействие и развитую память. Хорошим примером служат станки с программным (числовым) управлением; в этом случае одна микроЭВМ может обслуживать несколько станков, производительность труда весьма существенно повышается. Особо крупные

агрегаты и машины (например, большие прокатные станы, сталеплавильные и доменные печи в металлургии, корабли, самолеты и др.) чаще всего оборудуются индивидуальными микроЭВМ.

Все более широкое применение ЭВМ разных классов (включая самые крупные) находят в планировании, в так называемом организационном управлении па производственных предприятиях, в торговле, в научно-исследовательских учреждениях, в управлении отраслями, в статистике, в финансовых и других учреждениях. Одним словом, ЭВМ все шире используются во всех сферах общества.

Все это приводит к необходимости разработки большого числа различных программ для ЭВМ, такой организации работы в этой области, чтобы по возможности исключить дублирование. Складывается на первый взгляд удивительное положение: разработка программ, или, как говорят, математическое обеспечение, ЭВМ становится (пожалуй, уже стало) дороже собственно ЭВМ.

Появление в большом количестве и высокого технического уровня различных классов ЭВМ стало важнейшей технической базой кибернетики (от греч. kybernetike - искусство управления) - науки, основателем которой был американский ученый Норберт Винер (1894 - 1964) и содержанием которой являются общие законы получения, хранения, передачи и переработки информации. Кибернетикой рассматриваются так называемые кибернетические системы, к числу которых относятся автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции (от лат. populus - народ, население; совокупности особей одного вида, длительно занимающие определенное пространство и воспроизводящие себя в течение большого числа поколений), человеческое общество. Теоретическую основу кибернетики, составляют теория информации, теория алгоритмов, теория автоматов, исследование операций, теория оптимального управления, теория распознавания образов и др.