Моисей ГЕЛЬМАН,
кандидат технических наук
Много лет, начиная еще со времен Горбачева, Ельцина и Гайдара, с высоких властных и иных трибун по сей день раздаются призывы начать структурные реформы, без которых не наступит для нас светлого будущего. Замечу, что структура - это некая упорядоченная совокупность элементов какой-то системы, реализующая заданное сочетание взаимосвязанных функций, то есть - алгоритм. Это может быть, к примеру, структура правительства, осуществляющего управление экономикой страны. Поэтому структура всегда вторична, так как она должна быть моделью алгоритма. Но когда говорят, допустим, «структура цены» - это некорректно, так как речь идет не о системе, реализующей некий алгоритм, а о последовательности стоимости ресурсов, использованных для производства некоего продукта и составляющих его конечную цену. Поэтому для начала пусть чиновники, декларативно призывающие к прогрессу страны, пояснят, что такое структурные реформы. Думаю, они не ответят, так как не понимают, призывая к ним много лет, что сие означает. Так же, как не понимают они абсурдности словосочетаний, допустим, «цифровая экономика», «цифровая энергетика» или «цифровой дом», хотя создание в их воображении подобных фантомов они тоже относят к структурным реформам. В воображении всеядных менеджеров появились даже «цифровые электроподстанции» и «цифровые инженеры».
Рыночная экономика претерпела несколько промышленных революций, которые происходили в результате использования в индустриальном производстве новых видов энергии, а также механизации и автоматизации управления различными процессами и объектами. Однако когда появились паровые машины, потом двигатель внутреннего сгорания и электрический привод, никому в голову не пришло назвать тогда экономику паровой, бензиновой или электрической – она всегда была и оставалась рыночной. Сегодня же, при масштабной, на основе ЭВМ, автоматизации производственных процессов и средств коммуникаций, а также внедрении автоматических устройств в быту, чиновники с подачи некомпетентных «говорящих голов» почему-то стали именовать экономику и ее составляющие цифровыми. Однако научно обоснованного толкования фантома «цифровая экономика» как не было, так и не будет.
Несколько лет назад для придуманного мифа всеобщей цифровизации и возможного нового «распила» бюджетных денег создали даже Министерство цифрового развития (!?), связи и массовых коммуникаций. Замечу, прилагательное «цифровой» означает форму представления информации. Поэтому цифровыми, аналоговыми или гибридными (аналого-цифровыми) могут быть только компьютеры и системы управления на их основе. Так же именуют и соответствующие способы обработки информации, которые являются частью процессов управления. Дело в том, что исходной в процессах управления является в основном информация об окружающей нас среде, которая имеет обычно аналоговую, то есть непрерывную, форму. Это, к примеру, температура воздуха или расплава чугуна в домне. Для последующей компьютерной обработки она преобразуется в цифровую (численную) форму, а соответствующие числа автоматически представляют в виде кодированных значений. Для последующей компьютерной обработки данных используют обычно двоичные коды. Поэтому вопреки навязываемым представлениям, «цифровая экономика» - это абстрактное хозяйство, то есть бессмысленное словосочетание, а цифровой компьютер - средство обработки данных.
Можно утверждать, что деградация отечественной экономики во многом обусловлена неверными представлениями властей о происходящих в экономике процессах вообще, и об их автоматизации, в частности. Об этом свидетельствует и пустопорожняя риторика о «цифровизации экономики». На самом деле, как отмечалось, речь идет о кодировании информации, представленной в виде численных значений. В системах управления это данные результатов измерений показателей физических величин различных процессов и объектов в промышленности, на транспорте, в связи, радиотехнических системах, ЖКХ. Но кодирование информации является лишь одним из этапов компьютерной обработки данных.
Всеобщая доступность персональных ЭВМ и их широкое распространение для автоматизации вычислительных работ стали возможными благодаря автоматизированному производству многофункциональной интегральной цифровой элементной базы, в первую очередь, - больших интегральных схем (БИС) программируемых микропроцессоров и их комплектов. Интеграция в одном кристалле БИС основных функций ЭВМ, прежде выполнявшихся конструктивно выделенными элементами и их блоками, позволила перевести производство компьютеров и прочей электронной техники на массовую индустриальную основу.
Создание микропроцессора можно сравнить с изобретением печатного станка, позволившего начать массовое тиражирование книг, что привело человечество к всеобщей грамотности. А появление микропроцессора привело к массовому производству персональных компьютеров, что обеспечило широкое распространение компьютерной грамотности.
Однако автоматизация вычислений является лишь частью более общей проблемы — автоматизации управления различными процессами, требующей обработки больших массивов измерительной информации. О серьезном отставании в этой области говорит, в частности, тот факт, что сегодня в ЭВМ автоматически непосредственно вводится, по оценкам, порядка 20-30% всей информации, получаемой в мире для контроля и измерения показателей производственных процессов и управления ими. Причина — отсутствие массового индустриального производства управляющих вычислительных систем (автоматизированных систем управления технологическими процессами — АСУ ТП), столь же тиражируемых, а значит доступных для приобретения и использования, как и персональные ЭВМ.
Перечень их функций существенно шире, чем у обычных вычислительных машин. Причем далеко не все из них могут быть реализованы программными средствами и требуют соответствующую, жестко запрограммированную, специализированную технику для обработки вводимой и выходной информации. Ведь цифровая ЭВМ оперирует числами, представленными кодом в виде электрических импульсов, а объекты контроля и управления выдают информацию о себе, как отмечалось, в непрерывном (аналоговом) виде. Она преобразуется измерительными датчиками в эквивалентные, обычно электрические, но также зачастую непрерывные сигналы. Если такие сигналы необходимо обработать, их предварительно преобразуют в соответствующие кодированные числа, которые вводят в ЭВМ.
Большие интегральные схемы, упрощенно говоря, изготавливают на кремниевых пластинах с использованием фотошаблонов, на которых оптическим способом наносится рисунок микросхемы. Фотошаблон является негативом. Через него изображение схемы проецируется на чувствительную поверхность кремниевой пластины и на ней «вытравливаются» все элементы микросхемы – транзисторы, резисторы и электрические соединения между ними. Для увеличения быстродействия тех же микропроцессоров необходимо уменьшать топологические размеры их элементов и расширять функциональные возможности за счет более плотной «упаковки» в кристалле микросхемы большего числа элементов. Так как при этом сокращается длина путей пробега сигналов, то растет скорость вычислений. Но каждый новый этап увеличения быстродействия микросхем ведет к нелинейно растущему их удорожанию. Существует предел увеличения быстродействия, обусловленный ограниченной скоростью перемещения электромагнитных колебаний и, соответственно, электрического тока.
В 1980-х годах у нас и за рубежом основной топологический размер элементов в кремниевых интегральных схемах (микрочипах) был 0,8–1,0 мкм. Тогда нам из стратегических технологий за рубежом ничего не продавалось, и мы всё создавали сами. Сегодня в развитых странах в массовом производстве микросхем топологические размеры элементов составляют 0,09 мкм (90 нанометров), в Китае, Израиле, Японии, Южной Корее – до 25 нанометров, в США - 15 нанометра, а на Тайване уже 5-7 нанометров. Мы же на почти единственных уцелевших от разгрома отечественных предприятиях «Микрон» и «Ангстрем» что в Зеленограде, освоили производство купленной во Франции технологии микрочипов с топологическими размерами 180 нанометров. Освоили также проектирование микропроцессоров с топологическими размерами 90 нанометров, однако их изготовление до введения санкций осуществлялось на Тайване.
Согласно исследованиям компании «Яков и партнеры», потенциальные производственные мощности для выпуска чипов с топологическими размерами элементов более 90 нм в России составляют 26 тысяч пластин в месяц, но в производстве фактически используются только порядка 8 тысяч пластин. Микрочипы с топологическими размерами менее 45 нм применяются для персональных и суперкомпьютеров, портативной электроники, серверного оборудования и карт памяти, потребность в них в России на сегодня оценена в 1 тысячу пластин в месяц. В ближайшие пять лет совокупный спрос на чипы в России может вырасти в два раза и достигнуть 60 тысяч пластин в месяц, а в 2030–2035 годах — превысить 100–150 тысяч пластин ежемесячно. При этом в исследовании отмечается, что чипы 45–90 нм уже не имеют широкого применения в промышленности и являются устаревшими для современных процессоров и памяти.
Однако уцелевшая малая горстка предприятий бывшего СССР технологически отстает от передовых зарубежных фирм на 4-5 поколений и поэтому неспособна эффективно поддерживать отечественных изготовителей комплексного оборудования. Имеется в виду непригодность российской технологической базы для разработки и производства современной электронной аппаратуры. При этом утрачена также и управляемость отраслью. Поэтому анализ возможного развития отечественной интегральной электроники надо вести, не относительно предельных уровней технологии, например, с топологическими размерами 5-7 нанометров, а относительно состояния мировой интегральной электроники в целом, чтобы найти свое место на мировом рынке. При этом необходимо в первую очередь определиться, какая радиоэлектронная аппаратура жизненно необходима сегодня для обеспечения безопасности нашего государства и, исходя из этого, решать задачи достижения соответствующего технологического уровня ее производства.
Микроэлектронные технологии, как любые технологии двойного применения, имеют военный и гражданский секторы с долями по объему продукции примерно 15% и 85% соответственно. Но это характерно для мировой электронной индустрии в целом. Поэтому окупаемость и прибыльность производства зависит от сбыта микроэлектронной аппаратуры для гражданских нужд, значительная часть которой приходится на бытовую радиоэлектронику. По данным американской статистики, в начале 1990-х годов советская и американская военная электроника имели годовой объем производства приблизительно по 1,2 млрд. долларов, однако в США это составляло около 20% общего объема производства изделий интегральной техники, тогда как в СССР военная электроника составляла половину объема. В США в общем объеме производства изделий интегральной электроники в 350 млрд. долл., планируемом на 2022 год, военная электроника должна составить 3,5 млрд. долларов или около 1%.
Согласно данным правительственного документа «О Стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 г.», выручка предприятий электроники за 10 лет, с 2008-го по 2018 год, составила лишь 1868 млрд. рублей. При этом доля гражданской электронной продукции, произведенной российскими организациями, в общем объеме внутреннего рынка электроники (по выручке) составила 31 процент.
Государственные заказы, оплачиваемые из современного скудного бюджета, денег «не делают». «Делают деньги» изделия, покупаемые на средства пользователей гражданской продукции. Так что отделять электронику военную от электроники гражданской надо с большой осторожностью. Здесь тесно увязываются вопросы экономические, качества и надежности. Поэтому Министерство обороны должно быть прямо заинтересовано в увеличении объема поставок электронной гражданской продукции, ибо только мощные предприятия со значительными объемами производства могут обеспечить высокую надежность и хорошие экономические показатели предприятий, выпускающих одновременно и военную технику аналогичного назначения. Военная продукция малосерийная и считается убыточной. Именно поэтому она приобретает «право на существование» лишь при значительных тиражах аналогичной гражданской продукции, которые обеспечивают высокие экономические показатели, устойчивый технологический процесс, минимум брака в производстве и отсутствие срывов сроков поставки.
В 1980-е и 1990-е годы многие государства, до той поры не имевшие собственного производства электроники, сумели с нуля поднять свою электронную промышленность и выйти на мировой рынок, захватив его значительную часть. Это Южная Корея, Тайвань, Сингапур, Малайзия и Китай. Нынешний объем мирового рынка микроэлектронных приборов превышает триллион долларов и имеет устойчивую тенденцию к росту.
Переход к производству сверхбольших интегральных схем с сотнями миллионов транзисторов на одном кристалле, происходящий в настоящее время, оставил отечественную электронную промышленность в прошлом веке. Ввиду ее массированного разрушения в 1990-е годы, отставание в базовых технологиях производства электронных устройств достигло, по оценкам, 18-20 лет, причем при катастрофических потерях производственных мощностей и квалифицированных специалистов. В сложившейся ситуации Россия рискует своим будущим, если не предпримет серьезных усилий по развитию базовых технологий разработки и производства микроэлектроники, непосредственно влияющих на конкурентоспособность стран, и без которых теперь не обходится ни одна сфера человеческой деятельности.
Ни одно современное производство не может нормально функционировать без микрочипов. Но после начала специальной военной операции на Украине, Соединенные Штаты, государства ЕС и ряд других стран наложили санкции на высокотехнологичный экспорт в Россию. После этого крупнейшие мировые производители чипов, в том числе американские Intel и Nvidia, отказались от поставки своей продукции в Россию, а тайваньская TSMC — от выпуска продукции российских разработчиков – это процессоры «Эльбрус» и «Baikal» и некоторые другие микросхемы.
Для снижения зависимости российских компаний от поставок зарубежных чипов помимо запуска собственного производства оборудования нужно также наладить производство расходных материалов необходимого качества (фотошаблонов и др.) и не допустить остановку имеющихся в России высокотехнологичных производств по выпуску чипов с проектными нормами более 90 нм. При условии инвестиций в кадры, технологии и оборудование «Россия сможет, вопреки давлению, наладить выпуск микросхем в сегменте в необходимом количестве на рубеже 2027–2028 годов, а к 2030 году полностью обеспечить внутренний спрос по критичной номенклатуре микрочипов», считают авторы исследования компании «Яков и партнеры».
За рубежом давно внедрены принципы вертикальной интеграции производства микросхем. Такие фирмы как IBM осуществляют «сквозную» разработку и выпуск изделий электронной аппаратуры — от кремниевых пластин до комплексной аппаратуры. Отсюда и название «интегральная электроника». В каждом случае такая работа выполняется группой соответствующих предприятий, работающих с точки зрения налогообложения на правах цехов в рамках единого юридического лица, ориентированного на проектирование и производство определенного вида интегральной радиоэлектронной аппаратуры.
В ходе эволюции систем обработки информации дальнейшее развитие получила интеграция множества функций на одном кристалле: логика-память- периферия и др. Возникло технологическое направление «система на кристалле». Но потребность в увеличении быстродействия микроэлектронных устройств и уменьшении их энергопотребления имеет пределы в зависимости от сферы их применения. К тому же увеличение скорости компьютерных вычислений можно добиваться разработкой новых схемотехнических решений.
Казалось бы, интегральный принцип должен был бы быть положен в основу организации комплексного производства различных видов функционально и потребительски завершенных различных видов микроэлектронной аппаратуры и в Советском Союзе, а затем - в России. Это персональные ЭВМ, радиоприемники и телевизоры, средства связи, смартфоны, различные средства измерений и приборостроения и др. Однако высшие чиновники советских министерств и ведомств пошли по накатанному пути «разделяй деньги и властвуй».
Советские достижения в разработке компьютеров в 1950-х - 1970-х годах были сопоставимы с американскими. Эффективным ответом, особенно по затратам, на рождение американской Кремниевой долины явилось создание в 1962 году центра микроэлектроники под Москвой – Зеленограда с хорошо продуманной структурой кооперации. За очень короткое время были созданы также новые крупные предприятия кремниевой микроэлектроники в Ленинграде, Минске, Риге, Воронеже, Баку, Вильнюсе и Киеве. Советская электронная отрасль имела высокотехнологичные КБ, НИИ и заводы во всех пятнадцати союзных республиках. Уникальный центр в Минске «Планар» позволил создавать самое современное литографическое оборудование: генераторы изображения и установки для нанесения топологии кристаллов интегральных схем на кремниевые пластины.
Почему же в 1980-х СССР заметно отстал от США в создании и серийном производстве крупных ЭВМ и персональных компьютеров, не говоря о других видах радиоэлектронной аппаратуры? Одни из причин - отсутствие координации работ в этой области, что часто приводило к разработке множества устройств, не совместимых между собой программно и аппаратно, и потому невостребованных. Следует также отметить непонимание высшими чиновниками преимуществ новых принципов интегрального производства радиоэлектронной аппаратуры, а также ошибки в планировании производства и сбыта радиоэлектронной аппаратуры. Отсюда «распыление» ресурсов по различным министерствам и ведомствам вместо создания профильных холдингов. Поэтому продолжалось производство дискретной элементной базы вместо ее минитюаризации и интеграции в виде систем на одних кристаллах, производимых на основе комплексных интегральных технологий. Продолжалось также копирование устаревших зарубежных образцов микросхем, вычислительной техники и радиоэлектроники, что препятствовало созданию новой техники. При этом оказывалось явно недостаточное внимание прикладным научным исследованиям в области интегральных технологий и схемотехники, в подготовке новых профильных специалистов по микроэлектронике и др.
В 1968 г. руководство страны приняло директиву «Ряд», в соответствии с которой развитие компьютерной техники в дальнейшем должно было идти по пути создания Единого семейства ЭВМ (ЕС ЭВМ) на базе американских компьютеров – семейства IBM 360. Копирование уже запущенных в серию и, следовательно, не самых передовых иностранных моделей и микросхем стало далеко не лучшим путем развития собственных компьютерных технологий и систем. При этом запретили создавать новые отечественные разработки. Так блокированием новых отечественных разработок высокопоставленные чиновники готовили почву для полного развала радиоэлектронной и прочих наукоемких отраслей отечественной промышленности.
Между тем успехи в области электронной техники в СССР в упомянутые годы были немалые. К примеру, в 1967 году на выставке в Лондоне Советский Союз продемонстрировал первый в мире персональную компьютер МИР, созданный в Институте кибернетики АН Украины, которым руководил академик Виктор Глушков. МИР умещался на письменном столе, в нем были использованы основные принципы работы современного персонального компьютера. Так что МИР с полным правом можно назвать прообразом нынешней «персоналки». Диковинную мини-ЭВМ там же, на выставке, купили представители компании IBM. До сих пор непонятно, как советское руководство разрешило вывезти за рубеж для широкого показа столь передовую разработку, а уж, тем паче, её продать.
Тем не менее, факт остаётся фактом: американцам продали новейший компьютер, изобретённый советскими инженерами. А Виктору Глушкову выдали международный сертификат, подтверждающий, что первый в мире персональный компьютер создал именно он, что не заменяло патента. При этом заокеанские специалисты получили в свои руки новейшую советскую разработку, имевшую стратегическую значимость. И вскоре в США создали более компактный функциональный аналог.
Запуск новинок в производство решали советские чиновники всех уровней по возрастающим рангам их статуса. Но, как и в наше время, немало чиновников ввиду некомпетентности многого просто не знали и не понимали.
Информационную систему из сотен ЭВМ МИР, соединённых в одну сеть по тому же принципу, по которому сегодня действует Интернет, Виктор Глушков предложил использовать в качестве общегосударственной автоматизированной системы управления экономикой. «К этому времени у нас уже имелась концепция единой системы вычислительных центров для обработки экономической информации, – вспоминал Глушков. – Мы разработали первый эскизный проект единой государственной сети, включавший около 100 центров в крупных промышленных городах и районах, объединённых широкополосными каналами связи». Год-два, и в СССР можно было бы отправлять электронные письма, а плановой экономикой управлял бы «Интернет Глушкова».
Советский прообраз Интернета был готов к осени 1963 года. Но в Кремле произошла внезапная смена власти, а новому руководителю – Леониду Брежневу было не до передовых разработок. В США аналогичную систему продемонстрировал учёный Джозеф Ликлайдер только спустя год, а эскизный проект информационной сети американцы запустили в 1966 году – на два года позже, чем в СССР. «В отличие от нас они не спорили, а делали, – писал в своих мемуарах Глушков. – Тогда забеспокоились и у нас». Он передал в ЦК КПСС докладную записку, в которой предлагал немедленно вернуться к отложенному до «лучших времён» проекту информационной сети. И что же? «Была создана комиссия, но лучше бы её не создавали».
В руководстве страны забеспокоились неспроста: с внедрением автоматизированной системы управления, образно говоря «электронного правительства», всем станет понятна громоздкость советского управленческого аппарата - «липовые» отчёты легко будет проверить, а их авторов – вывести на чистую воду. Да и громадная управленческая вертикаль едва ли станет нужна. А куда девать множество высвободившихся партийных и советских работников? В общем, работу Глушкова признали чуть ли не угрожающей безопасности страны. Выручил академика министр обороны Дмитрий Устинов: он дал добро на внедрение автоматизированных систем управления на оборонных предприятиях.
К тому времени в СССР в условиях плановой экономики производилось порядка 20 тысяч наименований продукции. Но уследить за ее выпуском было сложно – то тут, то там создавался дефицит того или иного товара.
«Поскольку в СССР действовала централизованная система управления, можно было поставить ЭВМ на все предприятия и из единого центра следить за их работой, – рассказала дочь академика Вера Глушкова, старший научный сотрудник Института кибернетики АН Украины. – Сегодняшняя база данных банков, работа с карточками клиентов – это фрагмент той системы, которую предлагал внедрить мой отец. Она включала и банки, и бухгалтерский учёт, в том числе безналичную выдачу зарплаты, выплату и контроль налогов, производство, транспорт, армию… Это ноу-хау уже тогда опережало сегодняшний Интернет. По замыслу отца объединение вычислительных центров и автоматизированных систем управления предприятиями в одной структуре позволяло бы получать чёткую картину происходящего в народном хозяйстве и выбирать оптимальный вариант управления каждым предприятием, каждой отраслью».
На наше растущее отставание в области интегральных технологий и автоматизации проектирования больших интегральных схем во многом повлияло запущенное в СССР в серийное производство семейство ЭВМ фирмы IBM. Оно привело к сокращению новых отечественных разработок, на которые не выделялись должные средства, и они нередко блокировались монопольно действовавшими министерствами электронной промышленности и радиопромышленности
На двух примерах покажу, как это происходило.
В отделе НИИ, где я работал, в середине 1970-х мы использовали для вычислений ЭВМ «Наири-3», но данные измерений для обработки приходилось вводить вручную или большие массивы предварительно записывать на перфоленту. Тогда мы с коллегой разработали простое устройство для автоматического ввода в эту ЭВМ измерительной информации. После его тщательной апробации договорились с директором Бакинского радиозавода, где изготавливали новую модель упомянутого семейства ЭВМ – «Наири–4», о совместном внедрении в нее упомянутого устройства ввода. Получили мы и авторское свидетельство. После установки устройства ввода в «Наири-4» и его испытаний директор завода доложил руководству главка Министерства радиопромышленности, которому подчинялось предприятие, о внедрении новинки. Однако директору объявили выговор за нарушение упомянутого Постановления партии и правительства и предложили уволиться. Замечу, в этом министерстве так и не озаботились внедрением комплексных интегральных технологий для производства радиоаппаратуры и те же советские радиоприемники и телевизоры в интегральном исполнении так и не появились. Правда, выпускались отечественные радиоприемники многих видов достаточно качественных на транзисторах, больших и малых размеров. В 1980-х в магазинах было немало и телевизоров, но выполненные на устаревших громоздких электронно-лучевых трубках, хотя к этому времени уже появились устройства на компактных жидкокристаллических экранах.
Или второй пример, но уже из деятельности чиновников Министерства электронной промышленности СССР. Расскажу об этом более подробно, так описываемой ниже работе я уделил около 10 лет. Это одна из множества загробленных перспективных разработок, она позволила бы создавать качественные и дешевые бортовые системы сбора и обработки измерительной информации, в том числе авионику, с использованием «старых» интегральных технологий. Речь идет о создании семейства аналого-цифровых процессоров сигналов, и проблема эта не потеряла своей актуальности по сей день.
Как отмечалось, сложные объекты управления имеют множество источников измерительной информации, размещенных в различных точках. Если объект выдает сотни, тысячи параметров, требующих одновременной и быстрой обработки, то производительности одной ЭВМ системы управления может не хватить. Системы управления такими объектами обычно распределены в пространстве, и информация в них обрабатывается, как минимум, в два этапа. Вначале микропроцессорами по простейшим алгоритмам предварительно и быстро в местах получения информации обрабатываются данные контроля и измерений о текущем состоянии объекта. После чего процеженная и сжатая таким образом информация поступает для окончательной обработки по более сложным алгоритмам в центральную ЭВМ системы, вырабатывающую по результатам предварительной (первичной) обработки данных соответствующие сигналы управления. Такое двухэтапное распределение вычислений существенно увеличивает общесистемное быстродействие.
Сегодня для первичной обработки измерительной информации обычно используются цифровые программно-управляемые микропроцессоры. Однако такой микропроцессор в подобных случаях, будучи предназначен для решения различных задач, т. е. в силу своей универсальности, оказывается сложным, избыточным и потому относительно дорогим устройством. Ведь подсоединенный к ограниченному числу источников измерительной информации — датчикам микропроцессор постоянно решает одну и ту же или несколько неизменных задач. Например, вычисляет мощность или энергию электрического тока. А на некоторых объектах, к примеру, в бортовых системах самолетов и ракет, применение множества программируемых микропроцессоров в точках контроля и измерений ограничено условиями допустимых энергопотребления, массы и размеров оборудования.
Очевидно, и это доказывают анализ и многолетняя практика, когда постоянно решается одна и та же задача, намного эффективнее использовать специализированный, жестко запрограммированный под определенную задачу, а не универсальный перепрограммируемый процессор. Специализированный процессор дешевле, так как намного проще и потому надежнее, и потребляет меньше электрической мощности. Что же касается первичной обработки измерительной информации, то задачи эти типовые. Поэтому еще в начале 1970-х годов предлагалось разработать и начать массовое производство соответствующих спецпроцессоров, в которых жестко «прошиты» алгоритмы решения типовых задач контроля и измерений. На ряд таких процессоров и их системные связи я получил около 80 авторских свидетельств на изобретения и создал их несколько десятков в «железе».
В середине 1980-х Военно-промышленная комиссия даже открыла НИОКР на их разработку с участием нашего НИИ. Но тогдашнее руководство подмосковной «силиконовой долины», назначенной головной организацией, работу заблокировало — она не соответствовала принятой стратегии развития советской микроэлектроники, основанной на копировании зарубежных образцов. Такая стратегия во многом предопределила существенное отставание отрасли от мирового уровня, а затем и ее развал с началом псевдоэкономических реформ.
Так как исходная информация от измерительных датчиков поступает в аналоговом виде, то предлагалось разработать и начать производство семейств аналого-цифровых и аналоговых микропроцессоров, решающих определенные типовые задачи контроля, измерения и регулирования, и позволяющих перевести на индустриальную основу изготовление средств первичной обработки информации. Ниша эта на мировом рынке не занята по сей день. Причем упомянутые специализированные микропроцессоры при использовании для их производства одних и тех же, что и для цифровых процессоров, интегральных технологий, и решении одинаковых задач, оказываются, как минимум, на два, три порядка более быстродействующими, чем цифровые.
Дело в том, что в цифровых процессорах арифметические операции над кодированными числами выполняются как в обычной арифметике, то есть «столбиком», цифра за цифрой с переносом разрядов. На это требуется количество поразрядных операций (тактов) и соответственно времени для их выполнения пропорционально разрядности и количеству суммируемых или перемножаемых чисел.
Аналого-цифровые и аналоговые микропроцессоры обрабатывают непосредственно сами аналоговые сигналы, которые обычно в виде тока или напряжения выдают различные измерительные датчики, во множестве устанавливаемые на объектах управления. Два числа в виде аналоговых сигналов суммируются или умножаются всего за один такт без всяких там «столбиков». Кроме того, при решении одной и той же задачи аналого-цифровые процессоры в сравнении с цифровыми требуют существенно меньшего количества схемных элементов. Поэтому добиться для них идентичного быстродействия с цифровыми микросхемами можно, используя (утилизируя) старые, с большими топологическими размерами элементов, одно- и двухмикронные технологии, что обойдется намного дешевле.
Таким образом, при решении относительно простых задач специализированные аналого-цифровые процессоры (они выдают информацию в виде кода) оказываются более эффективными по сравнению с цифровыми процессорами по всем основным показателям: быстродействию, энергопотреблению, габаритам, массе и стоимости. Поэтому освоение производства унифицированных рядов спецпроцессоров аналоговых сигналов позволило бы поставить «на поток» производство более дешевых и эффективных управляющих систем различного назначения. Причем наличие стандартных вычислительных «кубиков» существенно упростит и, соответственно, удешевит проектирование таких систем и приблизится к структурному программированию обычных ЭВМ на основе типовых программных модулей ограниченной номенклатуры. Образно это напоминает проектирование и строительство зданий и сооружений по типовым каталогам типовых конструктивных и строительных элементов.
Подобные качественные изменения производства и рыночной конъюнктуры в прошлом уже происходили — сначала с появлением стандартных средств сопряжения элементов автоматических систем, а затем микропроцессоров. Однако они в силу своей функциональной ограниченности не решили проблем индустриализации и массового производства самих управляющих вычислительных систем.
Основы теории и схемотехники спецпроцессоров аналоговых сигналов для систем управления изложены мной в книге «Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов» (изд-во «Мир», 1999 г., 559 с.). Чтобы их целесообразно было производить в массовом порядке (снижаются удельные затраты), в книге выделены и проанализированы типовые алгоритмы измерений и решения задач предварительной обработки данных, характерные для многих процессов и объектов в промышленности, на транспорте, в связи, военной области, различных радиотехнических системах и др.
Таких типовых, повсеместно решаемых и сравнительно несложных задач, набирается несколько десятков. А более сложные задачи, не попавшие в разряд типовых, можно решать цифровыми микропроцессорами — перепрограммируемыми и заказными специализированными. Причем последние сегодня производятся и в виде полуфабрикатов - базовых матричных кристаллов, которые пользователь коммутацией внешних выводов жестко программирует под требуемую задачу. Так что речь не идет о безусловном изгнании цифровых процессоров из АСУ ТП. Просто каждому из видов вычислителей уготовано в них свое место.
Выполнение сетью параллельно работающих аналого-цифровых процессоров различных алгоритмов измерений и предварительной обработки данных позволит существенно снизить требования к быстродействию центральной ЭВМ конкретной управляющей системы при существенном росте её производительности. Но если все исходные данные измерений вводить непосредственно в один компьютер для обработки данных, то такая производительность недостижима сегодня при решении задач управления сложными динамическими и пространственно разбросанными объектами программными средствами отдельной универсальной ЭВМ.
Следует заметить, что замена цифровых процессоров специализированными аналого-цифровыми особенно важна для мобильных систем и бортовых на транспорте. Как отмечалось, помимо существенного увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и массы, а также стоимости благодаря использованию старых технологий для их производства, значительно возрастет и их надежность. Во-первых, это произойдет вследствие меньшего количества элементов в спецпроцессорах. А во-вторых, и это самое главное, существенно уменьшатся возможности для несанкционированного вмешательства в их работу, так как они не перепрограммируются извне радиосигналами. Сейчас, к большому сожалению, из-за отсутствия отечественных аналогов в военной технике нередко используются иностранные микросхемы, которые в час Х могут оказаться «троянским конем» со скрытыми в нем «взрывчаткой» и «вирусами».
Создание интегральных технологий потребовало интеграции всех этапов производства микроэлектронной аппаратуры в единый процесс. На Западе организационно это вылилось в образование крупных вертикально интегрированных компаний, производящих определенную функционально и потребительски завершенную продукцию: системы управления, телевизоры, радиоприемники, измерительные приборы и системы и пр. Вместе с тем такие фирмы продают часть своих микросхем другим потребителям.
У нас же, по сути, ничего не изменилось по сию пору. Производство микросхем в советские времена было сосредоточено в министерстве электронной промышленности, и они в основном предназначались для вычислительной техники. И хотя большие интегральные схемы представляли собой сложные функциональные устройства, их по-прежнему именовали и именуют элементной базой. Но ее номенклатура была и остается оторванной от потребности радиопромышленности, приборостроения, производства средств связи, точного машиностроения и станкостроения, что и явилось основной причиной неконкурентности этих отраслей и их последующего развала, как и самой электронной отрасли в целом.
К сожалению, прежний «местечковый» отраслевой принцип хозяйствования и управления не изжит у нас до сих пор. Он проглядывался и в принимавшихся, но не выполненных, программах развития электронной техники. В последней из них также говорится не о производстве телевизоров, радиоприемников, систем управления и др., а об «обеспечении изделиями электронной техники производства средств связи, телевидения и радиовещания, систем управления...». И это мы тоже проходили: скопированные зарубежные микросхемы у нас были, а те же отечественные телевизоры на старой элементной базе с российского внутреннего рынка были вытеснены телевизионными фирмами Японии, Китая и развивающихся стран Юго-Восточной Азии. Следует заметить, ежегодные объемы продаж в России импортной электронной техники составляют в последнее время около 1,5 миллиардов долларов в год. Но помимо легального импорта существует еще «теневой», который теперь называют «параллельным». Отечественной же электроники производится ежегодно всего на несколько сотен миллионов долларов.
Сегодня многие виды (по выполняемым функциям) выпускаемых в мире микросхем имеют топологические размеры элементов, укладывающиеся в 0,45 нанометров. Они насчитывают до десятков миллионов транзисторов на кристалле. Переход для повышения степени интеграции к субмикронным технологиям связан с определенными трудностями. И не только экономическими. Проектировать высокоинтегрированные микросхемы у нас сегодня почти некому: таких инженеров российские вузы готовят мало. Да и с оборудованием для проектирования дела также обстоят из рук вон плохо. Поэтому в нынешних условиях, чтобы в будущем «догнать и перегнать», мы должны и дальше развивать и внедрять уже используемые у нас технологии, совершенствуя для конкурентоспособности схемотехнические решения электронной аппаратуры. Одно из таких направлений совершенствования схемотехническое, в частности, разработка и производство спецпроцессоров аналоговых сигналов, решающих типовые задачи автоматизации измерений, контроля, управления для промышленного, военного и потребительского применения.
Тот, кто первым и в массовых количествах выпустит на рынок всю номенклатуру процессоров сигналов, станет законодателем в области индустриального автоматизированного производства комплекса микроэлектронных управляющих систем, в том числе на базе персональных ЭВМ. То есть станет хозяином этого рынка. Как это сделать — предмет отдельного разговора.
Напомню, речь не идет о безусловной альтернативе цифровым микропроцессорам. Поэтому прочитавший эти заметки может поинтересоваться, а почему рынок аналого-цифровых процессоров не занимают западные компании, выпускающие цифровые процессоры? Дело в существующей монополии рынка: зачем запускать в производство более дешевые специализированные изделия, если можно долгие годы продавать дорогие универсальные. Подобное происходит, к примеру, и на фармацевтических рынках, где некоторые крупные изготовители лекарственных препаратов скупают патенты новых, более качественных лекарств и скрывают их в своих сейфах на долгие годы.
Совершенно очевидно, основной причиной катастрофического развала российской радиоэлектроники при наличии относительного большого платежеспособного спроса на внутреннем рынке явилась ее низкая конкурентоспособность. Дело в том, что еще до 1990 года, несмотря на относительно большие капиталовложения и приоритетное развитие электронных технологий, отечественная радиоэлектронная аппаратура по основным характеристикам отставала от лучших аналогичных зарубежных образцов на 5—7 лет. Из-за ее более худших, примерно на порядок, энергетических и массогабаритных показателей у нас существенно увеличивались затраты, в частности, на производство авиационной техники, которая несет в себе более энергоемкое и тяжелое отечественное электронное оборудование по сравнению с зарубежной авионикой. Поэтому для самолетов оно оказывается менее эффективным в первую очередь с точки зрения удельной полезной нагрузки и удельного энергопотребления. А за последние 30 лет мы по топологическим размерам отстали от передовых стран уже на 4-5 поколений интегральных микросхем.
По оценкам специалистов, вряд ли мы сможем наверстать упущенное и внедрить у себя новейшие интегральные технологии, которыми сегодня владеют Тайвань, США, Япония, Китай и Южная Корея раньше чем через лет двадцать. На это нет ни денег, ни производства соответствующих материалов и оборудования — оно во многом разрушено и устарело, ни кадров... Вместе с тем, вызывает большие сомнения, что можно достичь успеха на прежнем пути «догнать и перегнать Америку» за счет копирования устаревших интегральных технологий и микросхем. Новейшие же нам никто не продаст, а разработать их самим сегодня не удастся. Поэтому для завоевания своей ниши в мировом производстве электронной техники нужно воспользоваться нетрадиционными конкурентоспособными решениями.
Как отмечалось, по пути копирования чужих устаревших микросхем отечественная микроэлектроника волей прежнего начальства двигалась со времени ее возникновения, что и явилось основной причиной ее неконкурентности и развала. Отчасти это объясняется и недостаточными в сравнении с США и Китаем капиталовложениями — разница была в десятки раз, из-за непонимания высшим руководством страны необходимости и значимости электроники как интеллектуальной составляющей современной сложной техники.
Сегодня положение не лучше. Если говорить о наноэлектронных технологиях не как о цели их создания, а как о средствах производства сверхбыстродействующей аппаратуры, то, прежде чем выделять громадные финансовые ресурсы на их разработку, необходимо было четко определить, где такое сверхбыстродействие понадобится.
