Перспективы развития компьютеров. Элементная база современной вычислительной техники

Представление текстовой информации. При формировании любого текстового (символьного) документа характерно последовательное использование нескольких видов кодировок и их преобразований. Например, при вводе информации с клавиатуры каждое нажатие клавиши, на которой изображен требуемый символ, вызывает появление так называемого scan-кода, представляющего собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.

Представление нечисловых видов информации. До последнего времени практически все системы связи России, системы передачи аудио- и видеоинформации, включая центральное радио и телевидение, строились на принципах передачи аналоговой информации. Это подразумевало выполнение процедур модуляции (преобразования данных в высокочастотные сигналы при передаче) и демодуляции для обратного преобразования и воспроизведения принятых данных.

С развитием микроэлектроники и компьютерных технологий все большее распространение получают цифровые системы передачи данных. В их основу положены процедуры квантования аналоговой информации по времени и величине. Значения функции y=f(t) измеряются с большой точностью в моменты времени 0, Δt, 2Δt,..nΔt (Δt = const). Эта последовательность дискретных измерений пересылается абоненту, у которого по ним воссоздается значение функции. Качество воспроизведения функции y = f(t) при Δt→0 может быть очень высоким. Более подробно эти вопросы освещаются в п. 1.4.

По скорости изменения обрабатываемых цифровых данных информацию можно разделить на два вида: статический и динамический. Например, числовая, логическая и символьная информация является статической - ее значение не связано со временем. В отличие от перечисленных типов вся аудиоинформация имеет динамический характер. Она существует только в режиме реального времени, ее нельзя остановить для более подробного изучения. Если изменить масштаб времени (увеличить или уменьшить), аудиоинформация искажается. Это свойство иногда используется для получения звуковых эффектов.

Видеоинформация может быть как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает текст, рисунки, графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на плоские - двухмерные и объемные - трехмерные.

Динамическая видеоинформация - это видео-, мульт- и слайд- фильмы. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.

Динамическая видеоинформация используется либо для передачи движущихся изображений (анимация), либо для последовательной демонстрации отдельных кадров вывода (слайдфильмы).

Для демонстрации анимационных и слайдфильмов используются различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не мог зафиксировать отдельные кадры.

При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экране столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с. до 1 мин.). Слайдфильмы можно отнести к статической видеоинформации.

По способу формирования видеоизображения бывают растровые, матричные и векторные. Растровые видеоизображения используются в телевидении, в компьютерах практически не применяются.

Матричные изображения получили в ЭВМ наиболее широкое распространение. Изображение на экране рисуется электронным лучом точками. Информация представляется в виде характеристик значений каждой точки - пиксела (picture element), рассматриваемой как наименьшей структурной единицей изображения. Количество высвечиваемых одновременно пикселов на экране дисплея определяется его разрешающей способностью. В качестве характеристик графической информации выступают координаты точки (пиксела) на экране, цвет пиксела, цвет фона (градация яркости). Вся эта информация хранится в видеопамяти дисплея. При выводе графической информации на печать изображение также воспроизводится по точкам.

Изображение может быть и в векторной форме. Тогда оно составляется из отрезков линий (в простейшем случае - прямых), для которых задаются начальные координаты, угол наклона и длина отрезка (может указываться и код используемой линии). Векторный способ имеет ряд преимуществ перед матричным: изображение легко масштабируется с сохранением формы, является «прозрачным», может быть наложено на любой фон и т.д.

Интенсивное развитие информационных технологий предполагает объединение самых различных систем (компьютерных, сетевых, информационных систем связи и т.п.) для решения задач формирования, хранения, обработки и преобразования данных. Способы представления информации в отдельных согласованно работающих устройствах, кодирование и преобразование в них кодов зависят от типов данных, принятых стандартов, принципов действия отдельных устройств,

Сам номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа, нанесенного на клавишу. Опознание символа по его scan-коду и присвоение ему внутреннего кода компьютера производится специальной программой – кодировщиком (драйвером). Соответствие scan-кодов клавиш и кодов представления символов внутри компьютера образует так называемую кодовую таблицу символов. Внутреннее представление символьных данных в компьютере полностью определяется особенностями построения этих кодовых таблиц.

Бурное развитие сетевых технологий, в частности Internet, привело к интеграции очень многих технических, программных и информационных систем с большим количеством стандартов, использующих совершенно разные коды, а соответственно, и разные таблицы кодировок.

Только для русских текстов широко используются кодировки: KOI-7 и KOI-8r, ASCII, ANSI, Win1251, ISO-8859, кодировка ГОСТ, кодировка ГОСТ – альтернативная (СР866) и др.

Стандарты КОИ – 7 (код обмена информацией, 7-ми битовый) и KOI-8r (восьмибитовый) используются, в основном, в почтовых сообщениях) в E-mail. Они широко использовались и продолжают применяться на постсоветском пространстве.

До недавнего времени, когда удельный вес приложений MS DOS был определяющим, наиболее часто использовался стандарт ASCII – American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код передачи информации. Принцип построения данной системы кодирования отражается таблицей 2.

Таблица 2

Таблица кодировки ASCII

Всего с помощью таблицы ASCII можно закодировать 2⁸ = 256 различных символов. Она разделена на две части: основную базовую или стандартную (с кодами от 00h до 7Fh) и дополнительную (от 80h до FFh, где буква h обозначает принадлежность кода к шестнадцатеричной системе счисления).

Первая половина таблицы стандартизована под английский алфавит. Она содержит управляющие коды (от 00h до 20h и 77h). Эти коды в таблице занимают две строки. Далее размещаются знаки пунктуации и математические знаки: 21h -!, 26h - &, 28h - (, 2Bh - +, и т.д., а также прописные и строчные буквы латинского алфавита: 41h - A, 61h - a,...

Вторая половина таблицы содержит национальные символы алфавитов, символы псевдографики, из которых могут быть построены таблицы, специальные математические знаки. Данную часть таблицы кодировок можно заменять, используя соответствующие драйверы. Этот прием позволяет применять несколько шрифтов и их гарнитур. Различные версии второй половины таблицы называются расширениями ASCII, применительно к национальным алфавитам их еще часто называют кодовыми страницами – CP (Code Page).

Дисплей по коду символа должен вывести на экран его изображение - не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму. Описание формы каждого символа хранится в специальной памяти дисплея - знакогенераторе.

Высвечивание символа на экране дисплея IBM PC осуществляется с помощью точек, образующих символьную матрицу. Этот процесс представлен на рис. 6.

Рис. 6. Пример формирования символа на экране дисплея

Каждый пиксел в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или темным. Темная точка кодируется цифрой 0, светлая (яркая) - 1.

Если изображать в матричном поле знака темные пикселы точкой, а светлые - звездочкой, то можно графически изобразить форму символа.

Появление операционной среды Windows с графическим интерфейсом потребовало изменение стандарта и введения другой кодовой таблицы ANSI (American National Standard Institute – институт стандартизации США). Графический интерфейс Windows реализует векторный принцип отображения данных на экране дисплея, что позволяет использовать масштабируемые шрифты True Type. По сравнению с таблицей ASCII в ANSI изменилось размещение символов и отсутствуют символы псевдографики, так как в графическом интерфейсе они не нужны. Учитывая успех фирмы Microsoft в продажах на российском рынке своего программного обеспечения, фирмой была разработана русская кодовая страница CP-1251 (Windows-1251), получившая широкое признание и ставшая стандартом de facto.

Кодировка ISO-8859 (кодировка фирмы Sun), хотя и принята в качестве ГОСТа, но практически в стандартных приложениях не используется.

Обилие кодовых страниц привело к трудностям адекватного воспроизведения текстовой информации, разработке различных программ-перекодировщиков. Сообщество фирм Unicode предложило новую систему кодирования, основанную на 16-разрядном кодировании символов. В двухбайтовом представлении отпадает необходимость использования отдельных кодовых таблиц и их перекодировок. Таблица Unicode позволяет дать уникальный номер любому символу всех национальных алфавитов (2¹⁶=65536 символов). Для компенсации возрастающих объемов памяти под программные продукты, представленные в Unicode, при хранении и пересылках файлов используются процедуры «сжатия» (архивации) данных. Этот стандарт приобретает все большую популярность.

Представление графических данных. Методы кодирование графики и цвета во многом определяются способами передачи цвета и его оттенков (полутонов). Для формирования цвета отдельных пикселов используется его декомпозиция на составляющие цвета. Имеется несколько подобных систем:

– основная система RGB (Red, Green, Blue) использует разложение цвета и смешение трех цветов: красного, зеленого и синего в различных пропорциях;

– дополнительная (альтернативная) система CMY (Cyan, Magenta, Yellow) предполагает смешение голубого, пурпурного и желтого цветов;

– полиграфическая CMYK, использующая добавление к предыдущей системе четвертого цвета – черного (blaсK).

Если для передачи оттенков (полутонов) каждого из основных цветов использовать один байт (2⁸ = 256 градаций), то имеется возможность формировать 2⁸´2⁸´2⁸=2²⁴ различных цветов, более 16,77´10⁶ цветов для первых двух систем и более 4´10⁹ для полиграфической системы. Такой режим представления графики называется полноцветным – True Color.

Статические кадры с графикой служат основой для создания анимационных систем. В современных высококачественных мониторах и в телевизорах с цифровым управлением электронно-лучевой трубкой цветные кадры с графикой сменяются до 70 раз и более в секунду, что позволяет высококачественно передавать движение объектов.

Высокое качество передачи графических образов и видеоинформации сопряжено с повышенным потреблением ресурсов памяти. Поэтому разработан целый ряд стандартов, создающих файлы в форматах *.bmp, *.jpg, *.png и др. Различие всех этих стандартов и файлов заключается в качестве (точности) передачи образов и объемах создаваемых файлов.

Представление звуковой информации. Кодирование аудиоинформации - процесс более сложный. Изначально аудиоинформация является аналоговой. Для преобразования ее в цифровую форму используют аппаратные средства – аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал оцифровывается, то есть представляется в виде числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Одним из самых популярных стандартов для передачи и воспроизведения звука был и остается MP3, обеспечивающий компактность MP3-файлов, высокое качество звука и простоту использования. Однако держатели патентов корпорация Thomson и Frauenhofer Institut ввели новый платный порядок использования стандарта, что немедленно вызвало разработку альтернативных бесплатных стандартов.

Несомненно, что одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности, ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики, др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа – рисунок – схема». По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, первые типы СБИС типа Pentium включали в себя около 3,5 миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Процессоры Intel Pentium IV имеют 55 млн. транзисторов, а Intel Itanium II – 221 млн. транзисторов. В новейших микросхемах количество слоев доходит до 20-25.

Новые литографии и сверхточные технологии. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До последнего времени доминирующей оставалась оптическая литография, когда послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400-900 мм² для процессоров (например, Pentium) и 200-400 мм² для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,18..0,13 мкм. Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,10 мкм и менее. Основные производители микропроцессоров Intel и AMD уже планируют переход на топоразмер 0,065 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм могут вычерчиваться от нескольких сотен до тысяч линий.

Сверхчистые материалы и высоковакуумные технологии. Новые высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в «сверхчистых помещениях», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых миниатмосферах. Миниатмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении менее 10^{-4 мм ртутного столба.}

Борьба с потребляемой и рассеиваемой мощностью. Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут «перегреваться» и выходить из строя. По данным фирмы Intel, за последние 10 лет быстродействие выпускаемых ею процессоров выросло в 5-6 раз, а энергопотребление в 18 (!) раз (сравнивались характеристики процессоров i486 и Pentium IV). До настоящего времени основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплементарные схемы, то есть совместно использующие n- и p-переходы, в транзисторах со структурой «металл – окисел – полупроводник»).

Известно, что W = U´I. Напряжение питания современных микросхем снизилось до 2V. Появились схемы с напряжением питания менее двух вольт, что уже выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как в электронных схемах всегда должно быть обеспечено необходимое соотношение «сигнал-шум», гарантирующее устойчивую работу компьютера.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. Исследования показали, что использование максимальных частот работы возможно только в микросхемах малой и средней интеграции. Максимальная частота Гц доступна очень немногим материалам: кремнию (Si), арсениду галлия (GaAs) и некоторым другим. Именно они чаще всего используются в качестве подложек в микросхемах.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в компьютерах будущих поколений их целесообразно объединить в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Перечисленные проблемы развития современной микроэлектронной базы указывают, что изготовление микросхем подходит к предельным характеристикам. Строительство каждого нового завода по производству микросхем обходится уже в миллиарды долларов. «Выход годных новых микросхем» измеряется единицами процентов даже у таких признанных лидеров, как Intel и AMD. Давление пределов заставляет производителей искать альтернативные пути развития, которых просматривается не очень много.

Дата добавления: 2014-12-29