Инженер по проектированию механизированных разработок (электронно-вычислительные машины). В. С. Шнейдеров

Первые экспериментальные вычислительные машины занимали целые комнаты, до отказа набитые аппаратурой. Так, первая ЭВМ весила 30 тонн, потребляла для своей работы 130 киловатт-часов электроэнергии и производила всего 2 - 3 тысячи операций в секунду. Такие ЭВМ стоили миллионы рублей, постоянно выходили из строя, и только небольшая горстка ученых имела к ним доступ. Сегодня машины с аналогичными параметрами по скорости и точности вычислений помещаются на ладони и могут надежно работать в течение многих лет.

Развитие элементной базы электронно-вычислительных машин определяет смену поколений ЭВМ. Первое поколение ЭВМ имело элементную базу на радиолампах и просуществовало до конца 50-х годов. Появление полупроводников привело в начале 60-х годов к рождению второго поколения ЭВМ. Через пять лет ему пришлось уступить место ЭВМ третьего поколения, элементной базой которых стали интегральные схемы. Середина 70-х годов считается временем возникновения машин четвертого поколения, для которых используются схемы с большой интеграцией элементов, а на повестке дня - ЭВМ пятого поколения, основу которых составят сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), каждая из которых будет содержать от 1 до 10 миллионов элементов на кристалл. Новые вычислительные системы будут производить операции примерно в 1000 раз быстрее, чем современные ЭВМ того же класса, обладать большей емкостью информационной базы.

Человек сможет общаться с ЭВМ пятого поколения на естественном языке, обычной речью, причем ЭВМ сможет отвечать также голосом. Специалисты подсчитали, что если бы автомобили усовершенствовались такими же темпами, как ЭВМ, то автомобиль 50-х годов стоил бы сейчас 2 рубля, имел мотор емкостью в 0,5 кубического сантиметра, потреблял бы 0,001 кубического миллиметра бензина на 1 километр пути и имел предельную скорость несколько тысяч километров в час.

Но при создании интегральных схем техника подошла к физическому пределу уменьшения размеров транзисторов. Сегодня они уже достигли величины в доли микрона. Теперь уже не транзисторы, диоды или конденсаторы являются лимитирующим фактором, а самые обычные, не вызывающие прежде никаких вопросов и проблем, провода. Они становятся все тоньше и тоньше, растет их электрическое сопротивление, увеличивается время задержки сигнала. Получается, что провода не только занимают львиную долю места в современных ЭВМ, не только стоят намного дороже транзисторов, но еще и больше всех других элементов схемы ухудшают ее быстродействие.

Поскольку у нас нет возможности рассмотреть все классы ЭВМ, ограничимся только их крайними представителями - микро-и суперЭВМ - и рассмотрим некоторые из проблем, встающих перед разработчиком.

Когда говорят о микроЭВМ, обычно подразумевают вычислительную машину, встроенную в прибор, инструмент, станок, научную и измерительную аппаратуру, в автоматику, в робот-манипулятор и т. д.

МикроЭВМ включает в себя микропроцессор, состоящий из одной или нескольких интегральных схем, размером всего в несколько квадратных миллиметров, портативные устройства ввода-вывода, внешние запоминающие устройства. Этот класс вычислительных машин отличает высокая надежность, которая достигается благодаря небольшому числу межблочных соединений, контактных разъемов, мест пайки и т. п. Малые габариты и масса, небольшое потребление электроэнергии, надежность, устойчивость характеристик в большом диапазоне рабочих температур, способность выдерживать значительные динамические нагрузки - все это способствует широкому внедрению микроЭВМ в устройства автоматики, обеспечивая инженерное решение проблемы комплексной автоматизации. Так, микропроцессор снижает стоимость системы управления одним станком в среднем на 10 тысяч рублей и значительно сокращает потребность в производственных площадях. Сфера применения микропроцессоров непрерывно расширяется. Специалисты насчитали более 200 тысяч применений ЭВМ в промышленности и в быту и считают, что ежегодно число таких применений возрастает на 8 тысяч.

Широкое распространение во всем мире получают персональные ЭВМ, то есть микроЭВМ, располагаемые на обычном столе и позволяющие решать очень широкий класс задач. Скоро каждый исследователь и инженер будут иметь на своем рабочем месте персональную ЭВМ, а к концу столетия персональные ЭВМ сконцентрируют все интеллектуальное обслуживание нашего быта.

Для решения задач с большим объемом вычислений в таких дисциплинах, как аэродинамика, сейсмология, метеорология, атомная и ядерная физика, физика плазмы, обычные большие ЭВМ уже не подходят. Так, задачи, относящиеся к области математического моделирования сплошных сред, требуют выполнения до 1013 арифметических операций, то есть более двух дней машинного времени на одну задачу. Так появилась необходимость создания сверхбыстродействующих ЭВМ - суперЭВМ.

Проектирование электронно-вычислительных машин складывается из следующих основных этапов: алгоритмического синтеза ЭВМ (на основе устройств и процессов), блочного синтеза (на основе блоков), элементного (на основе элементов) и конструктивного (на основе конструктивов). По характеру различают системное, логическое и техническое проектирование. В результате системного проектирования разработчик определяет необходимые характеристики проектируемых компонент, алгоритмы и программы их функционирования. В результате логического проектирования он получает функциональные схемы проектируемых компонент, а в результате технического - их конструкции.

Разработчику интегральных схем, являющихся основой современных ЭВМ, требуется разместить элементы (транзисторы, вентили, функциональные узлы) на минимальной площади кристалла и выполнить трассировку проводников. Ему необходимо добиться снижения помех по цепям питания, предусмотреть соответствующие средства тестирования, контроля и самодиагностики.

Для проектирования таких сложных систем, какими являются ЭВМ, широко применяются сами ЭВМ, то есть рабочим инструментом разработчика становятся персональные ЭВМ.

Известно, что все самое передовое и прогрессивное, что достигнуто в результате научно-технического прогресса, в первую очередь воплощается в вычислительной технике. Поэтому разработчик ЭВМ должен отличаться широким кругозором, умением предвидеть как направление развития ЭВМ, так и потребности общества в разнообразной вычислительной технике.

Подготовка инженеров по проектированию механизированных разработок по специальности "Электронные вычислительные машины" ведется во многих технических вузах нашей страны.