Материал: Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

состоянии находится сердечник, а также считывание за­ писанной в нем информации производятся-путем подачи отрицательного импульса (—Н т). Если сердечник нахо­ дился в состоянии «О» ( —В х ), то перемагничивания не произойдет, а лишь несколько увеличится его отрицатель­ ная магнитная индукция и на выходной обмотке появит­ ся незначительный импульс, представляющий собой по­ меху. Если же сердечник находился в состоянии «1» (4 Вх), то произойдет полное перемагничивание сердечни­ ка, изменится знак его магнитной индукции и на выход­ ной обмотке появится значительный импульс, представ­ ляющий сигнал.

Чем больше прямоугольность петли гистерезиса, тем выше отношение величины сигнала при перемагничивании сердечника к величине помехи. Время леремагничивания сердечников в зависимости от их размеров и ве­ личины перемагничивающего тока изменяется от долей микросекунды до нескольких микросекунд. Это позво­ ляет использовать ферритовые сердечники для создания достаточно быстродействующих логических и запоми­ нающих схем.

Для того чтобы ускорить процессы леремагничива-

69

ния, сократить расход необходимой для этого электро­ энергии и уменьшить габариты элементов, стремятся максимально уменьшить размеры сердечников. Чем меньше сердечник и чем тоньше его стенка, тем выше допустимая частота работы, но тем меньше сигнал, ко­ торый снимается с сердечника при перемагничивании. Однако производство ферритовых колец идентичных па­ раметров с очень маленьким внешним диаметром связа­ но со значительными технологическими трудностями.

Ценные качества магнитных сердечников заключают­ ся в их устойчивости к изменению температуры, доста­ точно высокой механической прочности и способности длительное время надежно сохранять записанную ин­ формацию.

Новые элементы ЭЦМ

В электронных цифровых машинах, серийно выпус­ каемых промышленностью в настоящее время, приме­ няются электронно-ламповые, .полупроводниковые и ферритовые элементы. Быстродействие логических схем машины с этими элементами составляет: для ламповых— несколько миллионов, для полупроводниковых — не­ сколько десятков миллионов и для ферритовых—несколь­ ко сотен тысяч переключений в секунду.

Использование этих элементов не позволяет сущест­ венно увеличить быстродействие машин без изменения' их структуры и значительного увеличения объема обо­ рудования. Увеличение количества используемых в ма­ шине элементов ограничено все еще недостаточной их надежностью: срок службы ламповых элементов состав­ ляет всего несколько десятков тысяч часов, полупровод­ никовых и ферритовых— несколько сотен тысяч пасов. Поэтому значительное увеличение быстродействия элек­ тронных цифровых машин может быть достигнуто лишь при использовании элементов, построенных на других физических принципах ■и обладающих во много раз большей надежностью.

В настоящее время прилагается много усилий к со­ зданию новых быстродействующих элементов, позволя­ ющих значительно повысить быстродействие электрон­ ных цифровых машин, уменьшить их размеры и обеспе­ чить высокую надежность работы.

70

Наиболее перспективным в этом направлении пред­ ставляется применение тонких магнитных пленок, ком­ бинированных полупроводниковых элементов, а также элементов,- основанных на явлении сверхпроводимости. Создание таких элементов связано с большими техноло­

Между скоростью работы элементов и размерами ма­ шины существует определенная зависимость, обусловлен­ ная запаздыванием сигналов. Повышение скорости ра­ боты машины выше определенных пределов неизбежно связано с переходом к микроминиатюрным конструк­ циям. Так, например, подсчитано, что машина, выпол­ няющая 1 миллион операций в минуту, может иметь ка­ налы связи между устройствами длиной до 30 м, машина же, выполняющая 1 миллиард операций в секунду, — не более 3 см.

Для производства миниатюрных элементов должна быть разработана полностью автоматизированная тех­ нология изготовления и монтажа, потому что сущест­ вующие в настоящее время приемы окажутся неприем­ лемыми. Пока здесь наметилось три основных направле­ ния: микромодули, пленочная электроника и молекуляр­

ферритов, ламп, сопротивлений, конденсаторов и т. п.), позволяет довести плотность их размещения примерно до 30 деталей в кубическом сантиметре. Сборка схем из микромодулей создает значительные трудности -в автома­ тизации этого процесса.

Пленочная электроника основана на построении электронных схем путем нанесения различными способа-, ми (химическим, вакуумным осаждением) тонких .пле­ нок определенных веществ. При последовательном на­ несении различных материалов, можно, в принципе, стро­ ить сколь угодно сложные электронные схемы и полу­ чать как отдельные устройства, так и машину в целом. При этом может быть достигнута плотность, достигаю­ щая 2 тыс. деталей в кубическом сантиметре.

71

Разработка элементов, размеры которых всего в де­ сятки и сотни раз больше размеров молекул, привела к появлению новой области технологии изготовления эле­ ментов для электронных цифровых машин — молектроники. Элементы такого типа обладают быстродейст­ вием, приближающимся к предельному. Молекулярная электроника основана на построении электронных схем из твердого тела путем внесения в него различных при­ месей. В каждом кубическом сантиметре такого веще­ ства можно разместить до 1500 деталей.

Помимо указанных трех направлений многие инсти­ туты и лаборатории занимаются усовершенствованием существующих элементов и разработкой новых, исполь­ зующих существенно новые физические и химические

принципы работы.

Усовершенствование полупроводниковых приборов привело к разработке новых высокочастотных транзисто­ ров (дрейфовых, диффузионных, канальных и др.), спо­ собных работать в схемах ЭЦМ с очень большой часто­ той. Полупроводниковый туннельный диод, обладающий характеристикой с отрицательным сопротивлением, вы­ соким быстродействием и надежностью работы в- широ­ ком диапазоне температур, позволяет использовать его в качестве различных логических элементов машины.

Из ферромагнитных материалов все большее распро­ странение получают Т'р а н с ф л ю к с о р ы — феррито­ вые сердечники с двумя или несколькими отверстиями,

Для создания ферромагнитного запоминающего уст­ ройства большой емкости, обладающего преимущества­ ми ферритовых сердечников и в то же время лишенного их серьезных технологических и конструктивных недо­ статков, используют литые ферритовые пластины с об­ мотками, нанесенными методом печатного монтажа.

Другие ферромагнитные материалы (твиеторы, биакоы и др.) позволяют построить элементы ЭЦМ малых размеров с высоким быстродействием, надежные и де­ шевые.

В последние годы внимание конструкторов привле­ кает возможность замены в запоминающем устройстве машины элементов, применяющихся в настоящее время, с е г н е т о э л е к т р и ч е с к и м и . Такая замена, в прин­

72

ципе, может привести к уменьшению объема запомина­ ющего устройства в 1 0 — 1 0 0 раз при сохранении одина­ ковой емкости и снизить потребляемую мощность почти в 50 раз по сравнению с устройством из ферритовых сердечников.

Особенно интересные работы ведутся по разработке так называемых к р и о г е н н ы х элементов, основанных на явлении сверхпроводимости металлов при температу­ рах, близких к абсолютному нулю: криотронов, персисторов, криозаров и др. Криогенные элементы могут най­ ти широкое применение особенно в электронных управ­ ляющих машинах.

В Японии и некоторых других странах в настоящее время все чаще применяются элементы ЭЦМ, построен­ ные с использованием я а р а м е т р о н о в — колебатель­ ных контуров, в которых одна из характеристик (индук­ тивность или емкость) изменяется t частотой, обычно в 2 раза большей, чем частота колебаний в самом конту­ ре. Теория параметрического колебания разработана советскими учеными академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Параметроны могут быть использо­ ваны в качестве двоичного запоминающего элемента или как усилители. Они очень надежны, помехоустойчивы и миниатюрны, срок их службы практически неограничен.

Различные элементы, которые можно использовать в цифровых машинах, предназначаемых для работы в ус­ ловиях чрезвычайно высоких температур, разрабаты­ ваются химотроникой — наукой об электрохимических преобразованиях. Такие элементы обладают малым быстродействием, но могут работать при температурах

типов электронных элементов, которые выполняют опре­ деленные логические функции, выражающие зависимость сигналов на выходах от сигналов на входах этих эле­ ментов.

Построение и анализ логических элементов и схем

73