Інноваційні технології в машинобудуванні курс лекцій
Работа добавлена: 2015-12-04





МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра          «Технологія машинобудування»

(назва)

Рег. №____________                                                    

конспект лекцій

з дисципліни  «Інноваційні технології в машинобудуванні»

                         (назва)

для студентів                              IV                 курсу

для спеціальності:   6.05050201          «ТехнологіЇ машинобудування»

                                                       (шифр)                                                         (назва)

галузі знань:                   0505  «Машинобудування та матеріалообробка»

                                               шифр                                               назва

факультету                                       «Машинобудування»

                            (назва)

Херсон – 2013 р.

Конспект лекцій з дисципліни «Інноваційні технології в машинобудуванні», для спеціальності 6.05050201 - «ТехнологіЇ машинобудування», галузі знань: 0505  -«Машинобудування та матеріалообробка».

 

Укладач: старший викладач кафедри «Технологія машинобудування» Сімінченко Ігор Павлович                                                                            ,

кількість сторінок - 130.

 

 

Відповідальний за випуск:  Сімінченко Ігор Павлович


Оглавление

[1] Оглавление

[2] ЛЕКЦИЯ 1. ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОТРАСЛИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

[2.1] Отрасли высоких технологий

[3] ЛЕКЦИЯ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

[4] Микроэлектроника

[5] Краткая история развития микроэлектроники

[6] Наноэлектроника

[6.1] Основные задачи наноэлектроники

[7] ЛЕКЦИЯ 3.  КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

[7.1] КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

[7.2] Применения квантовой электроники

[7.3] ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

[7.4] Особенности

[7.5] Применение светодиодов

[7.6] Органические светодиоды — OLED

[7.7] РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

[8] ЛЕКЦИЯ 4.  ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

[8.1] ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

[8.2] Перспективы развития компьютерной техники

[9] Об облачных вычислениях

[9.1] Что такое облачные вычисления?

[9.1.1] Сложные бизнес-процессы

[9.1.2] Преимущества облаков

[9.1.3] Типы облаков

[9.2] «Вычислительные облака» против производителей компьютеров

[10] ЛЕКЦИЯ 5.  НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИТ

[10.0.1] Мобильность

[10.0.2] Интернет

[10.0.3] Телекоммуникации

[10.0.4] Мультимедиа

[10.0.5] Энергоэффективность

[10.0.6] Доступность ИТ

[10.0.7] Ликвидация компьютерной безграмотности

[10.0.8] Цифровые технологии в здравоохранении

[10.0.9] На пути к пета-системам

[10.0.9.1] Немного истории

[11] ЛЕКЦИЯ 6. ИНТЕРНЕТ КАК СРЕДСТВО МАССОВОЙ КОММУНИКАЦИИ И ОСНОВА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННОСТИ

[11.1] Службы (сервисы) Интернета

[12] ЛЕКЦИЯ 7. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

[13] ЛЕКЦИЯ 8.  ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ САПР

[14] ЛЕКЦИЯ 9.  

[15] ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ИЗДЕЛИЯ НА ВСЕХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА (CALS – ТЕХНОЛОГИИ)

[15.1] CALS-технологии

[15.2] Маркетинговые исследования

[15.3] Проектирование

[15.4] Подготовка производства

[15.5] Производство

[15.6] Эксплуатация, обслуживание, утилизация

[15.7] Примеры PDM

[15.8] Список сокращений

[16] ЛЕКЦИЯ 10.  

[17] ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЙ.

[17.1] Этапы жизненного цикла

[17.2] Автоматизированные системы управления ЖЦИ

[17.2.1] Функции ERP-систем

[17.2.2] [править]Особенности внедрения

[17.2.3] [править]Достоинства

[17.2.4] [править]Недостатки

[17.2.5] 15.1. CALS-технологии в автоматизированном производстве

[17.2.6] 15.2. Технологии беспроводной связи

[17.2.7] 15.3. CAN-технологии

[17.2.8] 15.4. STEP-технология

[17.2.8.1] Структура стандартов STEP

[17.2.8.2] Методы описания

[17.2.8.3] Методы реализации

[18] ЛЕКЦИЯ 11.  

[19] Обзор технологий быстрого прототипирования

[19.1] Быстрое прототипирование в изготовлении физических объектов

[19.2] Преимущества технологий БП

[19.3] Недостатки технологий БП

[19.4] ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

[19.5] Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus)

[19.6] Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов)

[19.7] Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити)

[19.8] Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling)

[19.9] Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives)

[19.10] Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов).

[19.11] SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску

[20] ЛЕКЦИЯ 12.  НАНОТЕХНОЛОГИИ

[20.1] Что такое нанотехнология?

[20.2] Что сулит нам развитие нанотехнологии?

[20.2.1] Сверхмощные и сверхминиатюрные компьютеры

[20.2.2] Сверхчувствительные и высокостабш1ьные биодатчики

[20.2.3] Высокоэффективные топливные элементы


ЛЕКЦИЯ 1. ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОТРАСЛИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Длительное время основой мировой экономики являлись обрабатывающая промышленность и производство товаров. Существенное повышение цен на энергоносители и реальных процентных ставок привело к экономическому спаду и изменению стратегии развития хозяйственного комплекса. Приоритетными становятся отрасли, связанные с высокими технологиями (ВТ), внедрение которых позволило ряду государств резко увеличить социально-экономический потенциал и перейти из разряда стран третьего мира в высокоразвитые. Анализ сектора ВТ показал, что он является инновационным и обладает значительным уровнем конкурентоспособности.

Технология (от греч. téchne — искусство, мастерство, умение и греч. logos — изучение) — комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами

При этом:

— под термином изделие следует понимать любой материальный, интеллектуальный, моральный, политический и т. п. предмет труда (конечный продукт);

— под термином номинальное качество следует понимать заранее заданное качество (например, оговоренное техническим заданием и согласованное техническим предложением);

— под термином оптимальные затраты следует понимать минимально возможные затраты не влекущие за собой ухудшение условий труда, санитарных и экологических норм, норм технической и пожарной безопасности, сверхнормативный износ орудий труда, а также финансовых, экономических, политических и пр. рисков.

В промышленности и сельском хозяйстве подробное описание технологии выполняется в документах, именуемых карта технологического процесса (при подробном описании) или маршрутная карта (при кратком описании). В сценическом искусстве технология исполнения спектаклей, пьес, съёмки кинофильмов, … описывается сценарием. Применительно к политэкономии и экономике при изменении общественного мнения (в ч. л. пользу) применяется термин Пи-Ар (от Англ. PR — Public Relations — связь с широкой общественностью), зачастую неправильно воспринимаеый общественностью как рекламная акция. Применительно к политике с 70-х годов прошлого столетия установился термин дорожная карта (дословный перевод англоязычного термина Road map). Технологиями морального плана называются законы предков (чего делать нельзя или если делать, то что и как), правила поведения человека в обществе, кодекс чести, конституция (в цивилизованном обществе),понятия (в уголовном мире) и т. п.

В разговорной речи термин технология часто заменяют англоязычным словосочетанием Know How — знайте как.

Краткая историческая справка

Первые упоминания о колесе встречаются в Месопотамии в 4-м тысячелетии до н. э.

В конце 18 в. в общем массиве знаний о технике стали различать традиционный описательный раздел и новый, нарождающийся, который получил название «технология». Иоганн Беккман (1739—1811) ввел в научное употребление термин «технология», которым он назвал научную дисциплину, читавшуюся им в германском университете в Геттинге с 1772 г. В 1777 г. он опубликовал работу «Введение в технологию», где писал: «Обзор изобретений, их развития и успехов в искусствах и ремёслах может называться историей технических искусств; технология, которая объясняет в целом, методически и определенно все виды труда с их последствиями и причинами, являет собой гораздо большее». Позже в пятитомном труде «Очерки по истории изобретений» (1780—1805 гг.) он развил это понятие. [Salomon J. What is Technology? The Issue of its origins and definitions // Historiy of technology. 1984/ Vol. 1. 113—156].

Технология — в широком смысле — объём знаний, которые можно использовать для производства товаров и услуг из экономических ресурсов. Технология — в узком смысле — способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления. Технология включает в себе методы, приемы, режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инструментами, используемыми материалами.

Современные технологии основаны на достижениях научно-технического прогресса и ориентированы на производство продукта: материальная технология создаёт материальный продукт, информационная технология (ИТ) — информационный продукт. Технология это также научная дисциплина, разрабатывающая и совершенствующая способы и инструменты производства. В быту технологией принято называть описание производственных процессов, инструкции по их выполнению, технологические требования и пр. Технологией или технологическим процессом часто называют также сами операции добычи, транспортировки и переработки, которые являются основой производственного процесса. Технический контроль на производстве тоже является частью технологии.

Разработкой технологий занимаются технологи, инженеры, конструкторы, программисты и другие специалисты в соответствующих областях.

Технология по методологии ООН:

История развития технологий

Если обратиться к самому определению термина технология, к его изначальному значению (техно — мастерство, искусство; логос — наука), то мы придём к выводу, что цель технологии заключается в том, чтобы разложить на составляющие элементы процесс достижения какого-либо результата. Технология применима повсюду, где имеется достижение, стремление к результату, но осознанное использование технологического подхода было подлинной революцией. До появления технологии господствовало искусство — человек делал что-то, но это что-то получалось только у него, это как дар — дано или не дано. С помощью же технологии все то, что доступно только избранным, одаренным (искусство), становится доступно всем. Например, изготовление каменного топора можно представить как акт искусства, а можно — как технологию. В первом случае мы имеем (возможно) бесподобный топор, но со смертью носителя искусства делания топоров, означенных инструментов больше не будет. Во втором случае мастерство сохранится навсегда, но качество продукта (возможно) будет не таким высоким.

Момент перехода от искусства к технологии фактически создал современную человеческую цивилизацию, сделал возможным её дальнейшее развитие и совершенствование.

По большому счету, технология присутствует во всем живом, поскольку всё живое, так или иначе, производит переработкупродуктов питания в продукты жизнедеятельности (отходы).

Однако началом технологии человека стоит считать первый опыт улучшения свойств первых инструментов, будь то палка-копалка или кремневый нож.

Касаясь технологии как процесса — одной из первых (но до сих пор значимой!) технологией является процесс добычи первобытным человеком огня посредством трения.

Со временем технологии претерпели значительные изменения, и если когда-то технология подразумевала под собой простой навык, то в настоящее время технология — это сложный комплекс знаний ноу-хау, полученных порою с помощью дорогостоящих исследований.

О происхождении технологий

В конце XX века наши знания о том, как возникли древнейшие каменные орудия, претерпели изменения. Процесс появления орудий раньше был определен как процесс постепенный. Возникновение нового представлялось как процесс эволюционный, когда новое появлялось по частям, а не сразу: сначала появлялось примитивное, которое позднее приобретало современный облик. Просматривалась картина усовершенствования, исходя из предыдущего этапа (постепенное приострение краев камня).

Теперь для такой картины возникновения орудий нет оснований. Теперь есть иная картина, основанная на наблюдениях археологов. Суть картины заключается в том, что происходит изобретение техники раскалывания камня, а не предложенного ранее изобретения орудия.

Время великих открытий в Африке — примерно 60-70-е годы прошлого века. Изучение набора форм каменных изделий со стоянок олдувайской эпохи показало, что ядрища и скалываемые с них заготовки существуют с самого начала древнекаменного века. Также на олдувайских стоянках присутствуют некоторые формы каменных орудий, приготовляемых на основании заготовок. Это означает, что первый человек изобрел одновремнно и ядрища, и заготовки, и орудия.

Именно это знание и должен был передавать один человек другому. Это знание слагалось из отдельных операций. Сумма и нужная последовательность операций и есть то, что мы сейчас называем технологией.

Схема работает только тогда, когда все операции расставлены в нужном порядке. Выпадение любой операции делает схему бессмысленной.

Однажды эта последовательность была изобретена самым первобытным человеком. Есть две возможности появления нового: сразу и постепенно.

В первую возможность не верит никто, а во вторую верят сразу все.

Примеры из животной показывают способность следовать некой программе. Но сначала эту программу нужно изобрести, потом передавать ее, придав ей форму. Очень маловероятно, чтобы можно было передать фигуру ядрища без минимального словесного аппарата.

Раньше археологи полагали, что развитие орудийного набора шло от одного универсального орудия к множеству орудий. Теперь выясняется, что стадии универсального орудия не было! Мгновенно возникшая совокупность каменных орудий разной формы потребовало закрепления. Это закрепление должно было происходить как в поведении человека, так и в его сознании. Закрепление в сознании могло происходить успешнее всего в словесной форме. Если это предположение справедливо, то древнейшее преподавание связано с началом производства каменных орудий. Это было основание для передачи информации от поколения к поколению.

(по материалам работы Григорьева Г. П. «О первоначальном обучении»)

Высо́кие техноло́гии (англ. high technology, high tech, hi-tech) — наиболее новые и прогрессивные технологии современности. Переход к использованию высоких технологий и соответствующей им техники является важнейшим звеном научно-технической революции (НТР) на современном этапе. К высоким технологиям обычно относят самые наукоёмкие отрасли промышленности.

Высокая технология - совокупность информации, знаний, опыта, материальных средств при разработке, создании и производстве новой продукции и процессов в любой отрасли экономики, имеющих характеристики высшего мирового уровня.

Биотехнология - в широком смысле - пограничная между биологией и техникой научная дисциплина и сфера практики, изучающая пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями.

Биотехнология - в узком смысле - совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью биологических агентов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

Информационная технология - совокупность методов, производственных и программно-технологических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации. Информационные технологии предназначены для снижения трудоемкости процессов использования информационных ресурсов.

Информационные технологии (ИТ, англ. information technology, IT) — широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям управления, накопления, обработки и передачи информации.

Информационная технология — процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, накопления, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта). Этот процесс состоит из четко регламентированной последовательности выполнения операций, действий, этапов разной степени сложности над данными, хранящимися на компьютерах. Основная цель информационной технологии — в результате целенаправленных действий по переработке первичной информации получить необходимую для пользователя информацию.

Компонентами технологий для производства продуктов являются аппаратное (технические средства), программное (инструментальные средства), математическое и информационное обеспечение этого процесса.

В основном под информационными технологиями подразумевают компьютерные технологии. В частности, ИТ имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для хранения, преобразования, защиты, обработки, передачи и получения информации. По этой причине, специалистов по компьютерам часто называют ИТ-специалистами.

Инновационные технологии — наборы методов и средств, поддерживающих этапы реализации нововведения. Различают виды инновационных технологий:

Отрасли высоких технологий


ЛЕКЦИЯ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Микроэлектроника

Развитие современных средств вычислительной техники, робототехники, аппаратуры цифровых коммуникаций основано на использовании достижений микроэлектроники в разработке и выпуске интегральных микросхем (ИМС), а также на широком применении микропроцессоров и микрокомпьютеров, создаваемых на базе больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС).

Под электроникой понимают область науки, техники и производства, связанную с исследованием, разработкой и производством электронных приборов и принципов их использования. Поскольку «микро» (от гр. micros — малый) в сложных словах означает отношение к малым предметам, то термин «микроэлектроника» этимологически можно рассматривать как электронику малых размеров. В действительности смысл термина гораздо глубже. Микроэлектроника — это раздел электроники, занимающийся разработкой, производством и исследованием интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральная схема (ИС) представляет собой совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (диодов, транзисторов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом цикле на общей несущей конструкции (подложке) и выполняющей определенную функцию. Существуют, например, микросхемы-стабилизаторы напряжения, способные с высокой точностью поддерживать постоянное напряжение на нагрузке независимо от потребляемого ею тока. Промышленность выпускает широкий ассортимент микросхем-усилителей, предназначенных для усиления мощности электрических сигналов в определенном диапазоне частот. Для нужд вычислительной техники производится огромное число цифровых микросхем самого разного назначения.

Компоненты, входящие в состав ИС, как правило, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий и поэтому называются интегральными элементами. Термин «интегральный» отражает факт объединения компонентов в конструктивно единый узел, а также указывает на усложнение выполняемых этим узлом функций (по сравнению с функциями отдельных компонентов). Следует понимать, что интегральные микросхемы представляют собой не просто механическое объединение в одном корпусе определенного числа миниатюрных деталей, а являются качественно новым видом электронных приборов.

Зарождение и дальнейшее триумфальное развитие микроэлектроники было бы невозможно без гигантского прогресса в области технологии. Непосвященному трудно даже представить, как, например, удается разместить в корпусе современного микропроцессора Pentium 4 структуру, состоящую из 42 млн. транзисторов.

Краткая история развития микроэлектроники

История развития микроэлектроники — это неотъемлемая часть истории технического прогресса. Без всякого сомнения, «первотолчком» к зарождению микроэлектроники послужило изобретение американцами Дж. Бардином и У. Браттейном точечного транзистора. Это произошло в 1948 г. под крышей Bell Telephone Laboratories. Первые транзисторы изготавливались на основе германия и были весьма несовершенны. В качестве основных недостатков можно указать нестабильность характеристик и выраженную зависимость их от температуры, повышенный уровень шумов, малую мощность и высокую стоимость.

Следующий важный шаг в развитии транзисторной техники был связан с изобретением в 1951 г. плоскостного транзистора и практически совпал по времени с массовым переходом от германия к кремнию. Позднее опыт изготовления транзисторов, основанный на диффузии, способствовал разработке групповой технологии производства транзисторов, что резко снизило их стоимость. В 1952 г. был изобретен полевый (униполярный) транзистор.

Днем рождения микроэлектроники следует считать появление интегральных схем. Первая ИС была выпущена фирмой Fairchild Semiconductor в 1961 г. и представляла собой триггер, собранный из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов. С момента изобретения транзистора до появления микросхем прошло всего 13 лет. К середине 60-х годов XX в. интегральные схемы содержат до 100 элементов, а их номенклатура стремительно расширяется. В начале 70-х годов XX в. появляются первые БИС (большие интегральные схемы), содержащие на кристалле уже сотни и тысячи элементов размером от 3 до 100 мкм.

В 1971 г. появился первый микропроцессор.  

Значительный вклад в развитие микроэлектроники внесли советские и российские ученые. За разработку полупроводниковых лазеров на основе гетеропереходов, без которых не обходится ни один современный компьютер, наш соотечественник Ж. И.Алферов в 2001 г. был удостоен Нобелевской премии.

Принципиально важным моментом является то, что при изготовлении микросхем используется групповой метод производства. Суть его заключается в том, что на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое число интегральных схем. Кроме того, если позволяет технологический процесс, одновременно в работе находится несколько десятков таких пластин. По завершении основного технологического цикла пластина режется на кристаллы, каждый из которых представляет собой отдельную микросхему. На заключительной стадии осуществляют корпусирование — помещение кристалла в корпус и соединение контактных площадок с выводами (ножками) интегральной схемы.

Следует сказать, что в основе развития микроэлектроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой, и расширение круга решаемых с помощью этой аппаратуры задач. Это приводит к тому, что на определенном этапе становится невозможным решение новых задач на основе старой элементной базы. В результате труда ученых, инженеров и технологов «появляются на свет» все новые и новые электронные приборы, обладающие более высокими характеристиками по отношению к своим предшественникам. При этом факторами, лежащими в основе смены элементной базы электронных узлов и устройств, являются надежность, стоимость и мощность, а также габаритные размеры и масса.

Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процессорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специалисты периодически высказывают мысль о том, что в своем развитии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле.  

Наноэлектроника

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм.

Основные задачи наноэлектроники

ЛЕКЦИЯ 3.  КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Квантовая электроника – область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения на основе явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах.

Мазеры. Датой рождения квантовой электроники можно считать 1954, когда Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в СССР и независимо Дж. Гордон (J. Gordon), Х. Цайгер (H. Zeiger) и Ч. Таунс(C.H. Townes) в США создали первый квантовый генератор (мазер) на молекулах аммиака. Современные мазеры позволяют достигать стабильности частоты , что позволяет создавать сверхточные часы.

Лазеры. Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым  метод трех уровней, позволивший существенно упростить достижение инверсии и использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957-58 Г.Э.Д. Сковилом (H.E.D. Scovil) и другими были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (например, на рубине), работавшие в радиодиапазоне.

Для продвижения квантовых генераторов в область оптических частот важной оказалась идея А.М. Прохорова об использовании открытых резонаторов (системы параллельных зеркал, как в резонаторе Фабри-Перо), крайне удобных для осуществления накачки. Первый лазер на кристалле рубина, дававший излучение на длине волны 0,6934 мкм, был создан Т. Мейманом (Th. Maiman) в 1960. Оптическая накачка в нем реализуется при помощи импульсных газоразрядных лампРубиновый лазер был первым твердотельнымОКГ, среди которых выделяются также лазеры на неодимовом стекле и на кристаллах граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм). Твердотельные лазеры позволили получить генерацию мощных коротких ( с) и сверхкоротких ( с) импульсов света в схемах модуляции добротности и синхронизации мод резонатора.

Вскоре А. Джаван (A. Javan) создал первый газовый лазер на смеси атомов гелия и неона (длина волны 0,6328). Накачка в нем осуществляется электронным ударом в газовом разряде и резонансной передачей энергии от вспомогательного газа (в данном случае - гелия) основному (неону).  

В 1958 Н.Г.БасовБ.М.Вул и Ю.М.Попов заложили основы теории  полупроводниковых лазеров, а уже в 1962 был создан первый инжекционный лазер [Р. Холл (R.N. Hall), У. Думке (W.L. Dumke) и др.]

Интерес к ним обусловлен простотой в изготовлении, высоким КПД и возможностью плавной перестройки частоты в широком диапазоне (длина волны излучения определяется шириной запрещенной зоны). Существенным результатом является также создание в 1968 лазеров на полупроводниковых гетероструктурах.

В конце 1960-х были разработаны и созданы лазеры на молекулах органических красителей, обладающие чрезвычайно широкой полосой усиления, что позволяет плавно перестраивать частоту генерации при использовании дисперсионных элементов (призмыдифракционная решетка). Набор из нескольких красителей позволяет охватить весь оптический диапазон.

 Применения квантовой электроники


ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Оптоэлектроника - раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Примеры:

  1.  Бинокль с цифровой фотокамерой.
  2.  Цифровые фото и видеокамеры.

Оптическая электроника (или оптоэлектроника) — самая молодая и, возможно, самая перспективная область современной полупроводниковой электроники, любимица физиков, разработчиков сверхбыстродействующих ЭВМ и систем сверхдальней связи. Ею занимаются самые передовые лаборатории мира, оснащенные наисовременнейшим оборудованием.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА - область физики и техники, использующая эффекты взаимного преобразования элек-трич. и оптич. сигналов. Хотя эффекты преобразования световой энергии в электрическую (детектирование света с помощью фотоприёмников) и обратное преобразование (электролюминесцентные источники) были известны давно, термин "О." возник лишь после того, как эти преобразования стали использоваться в вычислит. технике, и прежде всего для взаимных превращений световых и электрич. сигналов при отображении, хранении, передаче и обработке информации. Термин "О." вошёл в употребление в 1960-х гг., когда появились приборы - оптроны ,в к-рых для обеспечения надёжных гальванич. развязок между электронными цепями используется пара "источник света (светодиод) - приёмник этого излучения". 
Применение оптич. сигналов в принципе позволяет увеличить скорость передачи и обработки информации благодаря более высокой несущей частоте и возможности параллельного функционирования мн. каналов. Однако в наиб. степени пока используются такие свойства оптич. сигналов, как высокая помехозащищённость, обеспечение надёжных гальванических развязок между электронными цепями, слабое затухание в волоконных световодах и возможность острой фокусировки. 
Поскольку оптоэлектронные приборы предназначены прежде всего для вычислит. техники и информац. систем, они должны обладать компактностью, малым потреблением энергии и высоким кпд. 
Осн. элементами О. являются источники излучения (когерентные и некогерентные), фотоприёмники, модуляторы, дефлекторы, волоконные световоды и согласующие элементы, мультиплексоры и демультиплексоры, а также пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты), используемые для двумерного динамич. отображения и обработки информации. 
Источники излучения. К некогерентным источникам излучения относят источники спонтанного излучения. Это - светодиоды (СД), из к-рых наиб. распространёнными являются СД на основе гетероструктур системы AlGaAs. Рекордный кпд этих СД превышает 20% (однако при ВЧ электрич. модуляции он уменьшается), их быстродействие достигает 0,1 нс. В отличие от когерентных источников СД обладают большой угл. апертурой и спектральной шириной излучения. Изготовляются матрицы СД. 
Когерентными источниками излучения в О. служат гл. обр. инжекционные лазеры. Применяются гетероструктуры, из к-рых также наиб. распространёнными являются системы AlGaAs. Вследствие лазерного эффекта ширина линии ~ 0,1 нм, расходимость луча не более 30°, кпд до 50%. Длина волны меняется в зависимости от состава твёрдого раствора активной области. Наиб. освоен (на 1990) диапазон длин волн от 
0,78 мкм до 1,55 мкм, хотя существуют более длинноволновые и коротковолновые лазеры. Частота модуляции излучения инжекц. лазеров достигает 20 Ггц. В монолитном (интегральном) виде изготовляются строчки (до 100 элементов на см-1) и матрицы инжекц. лазеров. 
Приёмники излучения. В качестве них используются фотодиоды (ФД), гл. обр. pin-диоды и фотодиоды Шоттки. В pin-диодах быстродействие1 нc, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, материалы: GaAs (0,8 мкм), InGaAs ( = 1,3 - 1,55 мкм). В фотодиодах Шоттки быстродействие также1 нc; квантовая эффективность до 40%, материалы: п - GaAs, GaAs - AlGaAs, InGaAs ( = 0,82 - 1,6 мкм). 
Там, где требуется высокая чувствительность, применяются фототранзисторы и лавинные ФД. Они обладают внутр. усилением до 100 и более; материалы: Ge, InGaAs, InGaPAs, GaAs, Si. В качестве фотоприёмников используются также планарные фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами и экстрагирующими электродами, быстродействие 80 - 200 пс, материалы: InGaAs ( = 1,3 - 1,5 мкм), р - GaAs ( 0,85 мкм) и др. 
Особое значение для О. приобретают строчки и матрицы фотоприёмников, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках (см. Прибор с зарядовой связью ).Эти приёмники позволяют принимать, хранить нек-рое время и последовательно передавать при считывании оптич. сигналы. Такие фотоприёмники широко применяются для регистрации изображений и их последоват. передачи по каналам связи. По чувствительности они не уступают обычным фотоприёмникам. Осн. материал - Si. 
Модуляторы. Как правило, в СД и инжекц. лазерах осуществляется внутр. модуляция путём изменения питающего тока. Для внеш. модуляции используется в осн. эл--оптич. эффект в LiNbО3. Однако полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 кВ. Разрабатываются др. материалы - с меньшим полуволновым напряжением и технологически интегрально совместимые с излучателями системы AlGaAs и InGaPAs на тех же растворах. 
Увеличение числа каналов связи в волоконных СД достигается также путём передачи информации по одному каналу на разных длинах волн, т. е. от разл. источников с соответствующим разделением на приёмных концах. С этой целью применяются мультиплексоры и демультиплексоры, к-рые обычно изготовляются в интегральном виде путём соединения или ветвления оптич. волноводов. Селекторами длин волн являются дифракц. решётки, вводящими и выводящими элементами - призмы. Материалом служит, как правило, LiNbО3 с вводимыми в него легирующими добавками для создания волноводов; большие надежды связываются с твёрдыми растворами соединений AIII Bv и AIIBVI. 
Дефлекторы лазерного излучения - необходимые элементы в системах оптич. записи и считывания информации. Они могут быть применены также как модуляторы излучения. Используется либо эл--оптич. эффект в двулучепреломляющих кристаллах либо дифракция на акустич. волнах. Дефлекторы на основе эл--оптич. эффекта более быстродействующие, чем эл--акустические, но обладают меньшей эффективностью. 
Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) - матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием ПВМС может осуществляться электрич. или магн. полями (эл--оптически или магн--оптически управляемые транспаранты соответственно) или слабыми световыми сигналами (оптически управляемые транспаранты). Наиб. распространение получили ПВМС на жидких кристаллах. Они обладают наим. полуволновым напряжением (~1В), но их быстродействие не превышает десятков мкс. Применение спец. керамик для ПВМС обеспечивает быстродействие до 10-7 с, но полуволповое напряжение значительно выше (~100 В). 
Для передачи оптич. сигналов в О. возможно использование как свободного пространства, так и волоконных световодов, обеспечивающих исключительно высокую домехозащитность при потерях менее 1 дБ/км. 
Увеличение кол-ва и ассортимента выпуска элементов О. происходит очень интенсивно, составляя ежегодный прирост ок. 20%, что связано с большим коммерч. выпуском систем, базирующихся на оптоэлек-тронных элементах. Наиб. распространение получили лазерные звукопроигрыватели, в к-рых информация записана в цифровом представлении на жёстких или гибких дисках (компакт-диски) и считывается острофокусируемым лучом инжекц. лазера. Выпускаются (в Японии) видеопроигрыватели, работающие по этому же принципу. 
Большое значение приобретают оптоэлектронные элементы для волоконно-оптич. линий связи, к-рые должны заменить совр. кабельные линии связи на длинные и короткие дистанции, решить проблемы кабельного телевидения и видеотелефонов. Несколько свето-волоконных кабелей соединили Америку с Европой, прокладываются кабели через Тихий океан. Источниками световых сигналов в этих линиях являются инжекц. лазеры, приёмники - быстродействующие лавинные ФД; через неск. десятков км располагаются ретрансляц. узлы (лазер - фотоприёмник), компенсирующие ослабление и дисперсию световых сигналов. 
О. позволяет создать перестраиваемые процессоры ,управляемые ПВМС и матрицами фотоприёмников, а также обеспечивает построение БИС и СБИС (см. Интегральная схема ),допускающих интеграцию в третьем (вертикальном) измерении. С О. связывают надежды на возможность дальнейшего совершенствования вычислит. техники: передача информации будет осуществляться оптич. сигналами, что позволит вести обработку одновременно по мн. параллельным каналам, близко расположенным друг к другу, но обладающим высокой помехозащитностью. Проводятся интенсивные исследования по созданию новых оптоэлектронных элементов, к-рые имели бы два устойчивых состояния с разл. оптич. свойствами (оптич. бистабильные элементы) и выполняли бы в оптике роль, аналогичную роли транзисторов в электронике. Создание таких элементов позволит начать конструирование оптических (или оптоэлектронных) вычислит. машин (ОВМ и ОЭВМ), превосходящих по производительности ЭВМ и способных выполнять 1012 операций в с и более.

Приборы оптоэлектроники:

  1.  Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin,лавинный), фототранзисторыфототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью(ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
  2.  Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания,электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).
  3.  Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.
  4.  Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы —интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающийнекогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководилНик Холоньяк.

Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся кпрямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например,GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Особенности

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

Применение светодиодов

Применение светодиодов всветофоре

Применение светодиодов вфарах

Основная статья: Светодиодное освещение

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

Между тем наш рассказ об оптоэлектронике мы начнем с тех далеких времен, когда в России А. Н. Лодыгин еще только разрабатывал первые конструкции угольных ламп накаливания, а Европа освещалась в основном свечами и газовыми фонарями.

Из многих известных в XIX веке полупроводников — как тогда говорили, веществ, «худо проводящих электричество»,— селен был материалом, удостоенным особого внимания ученых. Дело в том, что в 1873 году английский телеграфный служащий А. Мей случайно обнаружил, что сопротивление селена резко уменьшается, если на него падает свет. Возможно, Мей не слишком обрадовался новому явлению, так как обнаружил его, исследуя селеновые изоляционные опоры телеграфного кабеля. Но руководитель Мея, инженер У. Смит, сразу оценил важность открытия. Он быстро провел первые исследования и в том же 1873 году сообщил о них в печати. Это сообщение вызвало   бурный   интерес   у   физиков   всего   мира.

К исследованию селена обратились ученые из Германии, Франции, Англии, России, Америки. Предпринимались многочисленные попытки повысить светочувствительность селена. С этой целью были испробованы десятки способов его получения. Однако все эти поиски велись практически «вслепую» — ведь физики XIX века и понятия не имели о невероятной чувствительности полупроводников к примесям, о методах их очистки. Поэтому публикуемые результаты противоречили друг другу, приводимые численные данные различались в десятки и сотни раз. Встречались и просто курьезные (с нашей, сегодняшней точки зрения) сообщения. Некоторые авторы писали, например, что светочувствительность селена возрастает, если рядом с ним положить каучук или камфару, побывавшие перед тем в озоне. Другие сообщали, что селен наиболее чувствителен к соседству с терпентинным маслом. Однако не следует забывать, что в то время полупроводники еще не были осознаны как особый, удивительный класс материалов. Так что не спешите посмотреть свысока на эксперименты столетней давности — это были первые шаги на пути, который привел к созданию оптической электроники.

«Селеновый бум» привлек внимание знаменитого немецкого электротехника Вернера Сименса. Сименс был наделен редкостным изобретательским талантом. Еще двадцатипятилетним молодым человеком, отбывая пятилетнее тюремное заключение за участие в дуэли, он изобрел способ гальванического серебрения и золочения и позолотил свою тюремную ложку, перенеся на нее золото с завалявшейся в кармане монеты. Это было в начале сороковых годов XIX века. В семидесятые годы Сименс, крупный промышленный магнат, почетный доктор Берлинского университета, член Берлинской академии наук, автор ртутного эталона сопротивления, увековечившего его имя, оставался таким же неукротимым изобретателем, как в юности. Он увлекся изучением селена, и это увлечение имело весьма серьезные последствия для дальнейшей судьбы селена. В  1875  году Сименс опубликовал статью, в которой, наряду с детальным описанием способов получения и свойств селена, сообщил об изобретенном им новом приборе — абсолютном электрическом фотометре. Скажем несколько слов о фотометрии и ее состоянии в XIX веке, чтобы вы лучше смогли оценить изобретение Сименса.

Можно считать, что фотометрия зародилась во II веке н. э., когда Птолемей начал изучать яркость звезд. И все дальнейшее развитие этой области науки было связано, в основном, с астрономическими наблюдениями. В 1604 году Кеплер установил законы освещенности. В 1729 году французский ученый П. Бугер сформулировал принцип фотометрии и заложил начала научных измерений в этой области. Идея Бугера состояла в том, чтобы использовать способности глаза улавливать разницу освещенностей, даже если эта разница составляет всего 1 %. В фотометре Бугера две части экрана освещаются двумя источниками — изучаемым (например, звездой) и «эталонным» (например, свечой). Освещенность той части экрана, на которую светит эталонный источник, можно менять (например, приближая или удаляя свечу). При равенстве освещенностей, создаваемых изучаемой и «искусственной» звездой, положение последней регистрируется. Таким образом можно делать косвенные измерения.

Фотометр Бугера неоднократно усовершенствовался в течение более 100 лет, однако основной принцип его работы был неизменным: равенство освещенностей констатировал глаз. Устал астроном — точность измерений резко падает; при различных оттенках цвета измеряемого и эталонного источников оценка становится затруднительной; появился в поле зрения яркий предмет — снова ошибка в измерениях. Субъективный характер измерений стал серьезным недостатком фотометрии. А между тем потребность в фотометрах росла: к небесным светилам прибавлялись земные лампы, яркость которых тоже нужно измерять.

Занявшись исследованием селена, Сименс не мог пропустить возможность практического использования выполненных экспериментов. Он сконструировал фотометр, в котором впервые субъективная оценка на глаз была исключена и интенсивность света могла быть выражена в электрических единицах. Электрическая цепь фотометра Сименса состояла из гальванического элемента, гальванометра и куска селена с проволочными электродами. В темноте сопротивление селена так велико, что стрелка гальванометра почти не отклоняется. При освещении селена его сопротивление падает, ток увеличивается, и стрелка гальванометра отклоняется тем сильнее, чем ярче свет. (Именно так работает и современный фотоэкспонометр!)

На основе селенового фоторезистора Сименс сделал первую в мире опто-электронную игрушку (конечно, в то время ее никто так не называл; термин «оптоэлектроника» появился много десятков лет спустя). Основным элементом этой игрушки была модель человеческого глаза, в которую был вмонтирован селеновый фоторезистор. Стоило приблизить к глазу зажженную свечу — и он тут же закрывался, «щурясь» от яркого света, совсем как живой.

Изобретение селенового фотометра дало толчок к появлению-целой серии остроумных приборов. Интересным и очень смелым для того времени развитием работ Сименса явилось изобретение американского инженера Дж. Кэри. В том же 1875 году он предложил проект устройства для передачи изображений на расстояние. Принцип действия этого устройства представляется теперь очень простым. Передаваемое изображение сначала проецируется на приемник, который состоит из большого числа селеновых ячеек, составленных вплотную. Сопротивление ячеек изменяется в различной степени в зависимости от того, насколько ярко освещена та или иная ячейка. Воспроизводится изображение на «экране», который представляет собой панель с лампочками, причем число лампочек равно числу селеновых ячеек приемника. Каждая лампочка соединена последовательно с соответствующей ячейкой и источником напряжения. При включении напряжения яркость свечения той или иной лампочки тем больше, чем меньше сопротивление соединенного с ней селенового элемента, т. е. чем ярче освещена соответствующая ячейка. При достаточно большой длине проводов, соединяющих приемник и экран, изображение может быть передано на значительное расстояние.

Изобретение Кэри, однако, оказалось з то время практически нереализуемым. Ведь если приемник содержит, например, 100Х100 ячеек, то необходимо протянуть до экрана 10 000 проводов и подключить их к 10 000 лампочек, к 10 000 источников, и чтобы ни одна лампа не перегорела!

Несколько следующих применений селенового фоторезистора вызвали настоящие сенсации.

В далеком Вашингтоне Александр Грехем Белл с интересом читал поступающие из-за океана сообщения об исследованиях селена и сам испробовал немало способов приготовления материала с высокой светочувствительностью. После нескольких удачных опытов Беллу пришла в голову странная на первый взгляд мысль — в электрической цепи, в которую был включен исследуемый селеновый образец, заменить гальванометр... телефоном. Мысль эта не покажется столь уж странной, если вспомнить, что незадолго до того Белл как раз взял патент на первый в мире телефон и теперь с успехом распространял свое детище по всей стране. Телефон Белла издавал звуки, если ток, текущий через него, менялся достаточно быстро. Поэтому Белл решил, что если в цепи последовательно с телефоном будет включен селеновый фоточувствительный образец, то телефон будет звучать, когда свет, падающий на селен, будет часто прерываться. 17 мая 1878 года, читая лекцию в Королевском институте в Лондоне, доктор Белл объявил, что «возможно слышать звуки, вызванные прерыванием света». Мелодические звуки разной высоты Белл получал, меняя скорость вращения диска с прорезями, расположенного между ярким источником и селеновым приемником.

Два года спустя эта идея Белла получила сенсационное развитие.

Солнечным летним днем 1880 года жители Вашингтона с удивлением наблюдали, как прилично одетый господин устанавливал на крыше Франкли-новской школы странное сооружение. Многие узнали в господине друга и помощника профессора Белла мистера Тейнтера. Тейнтер направил на солнце небольшое зеркало; отраженный солнечный свет проходил через несколько линз и ярким тонким лучом упирался прямо в окно стоящего напротив здания. В этом здании помещалась исследовательская лаборатория Белла. Став позади зеркала и приспособив к нему нечто вроде рупора, Тейнтер начал что-то негромко говорить в рупор, глядя при этом на окно лаборатории. В ответ в окне появился мистер Белл, размахивающий шляпой.

В этот день Белл и Тейнтер успешно осуществили беспроводную оптическую телефонную связь. Сооружение на крыше было передающей станцией. В лаборатории Белла располагалась приемная станции. Посылаемый с крыши луч падал на фотоприемник — селеновый фоторезистор, включенный в электрическую цепь последовательно с телефоном. Когда Тейнтер говорил в рупор, звуковые колебания заставляли зеркало слегка вибрировать. При этом из-за «расфокусировки» менялась освещенность фотоприемника ... Поднеся к уху телефон, Белл отчетливо услышал голос Тейнтера: «Мистер Белл, если вы слышите меня, подойдите к окну и помашите шляпой». Ответ Белла свидетельствовал о полном успехе опыта.

Сенсационное сообщение об эксперименте Белла и Тейнтера вызвало новую волну повышенного интереса к селену, новые попытки увеличить его светочувствительность. Последователь Белла, его соотечественник, С. Фритс сумел получить образцы, сопротивление которых под действием солнечного света уменьшалось более чем в 300 раз (Белл и Сименс достигли лишь пятнадцатикратного изменения). Фритс предложил и еще одно возможное применение селена. Если подключить селеновый фоторезистор к какому-либо электрическому аппарату, то этим аппаратом можно будет управлять при помощи света. Например, селеновый элемент может быть включен в цепь электромагнитного реле. При освещении элемента его сопротивление уменьшится, ток в цепи возрастет, и контакты реле замкнутся без всякого прямого вмешательства в электрическую цепь реле. В этой идее содержится принцип действия   так   называемой   оптопары   —   одного   из   основных   элементов современной автоматики (вспомните хотя бы пропускные автоматы в метро). И хотя оптопары появились лишь во второй половине нашего столетия, идея оптического управления с помощью селенового элемента была очень эффектно реализована намного раньше.

1 февраля 1907 года в Париже в переполненном конференц-зале перед журналистами, учеными, предпринимателями и членами правительства выступал инженер из Мюнхена Артур Корн. Слева и справа от него на длинном столе располагались два больших медленно вращающихся цилиндра непонятного для публики назначения.

«Мадам и месье,— начал свое выступление Корн,— проблема передачи фотографий по телеграфу решена! Это можно делать так же, как мы передаем по телефону звук.»

В конференц-зале присутствовали люди, весьма далекие от науки, поэтому Корн долго и пространно объяснял устройство телефона и телеграфа, разные технические детали. Сегодняшний читатель «Кванта» знаком с этими «подробностями», и поэтому мы сразу перейдем к изложению идеи фототелеграфа, реализованной впервые восемьдесят лет назад.

Фотография не передается целиком, а разбивается на 100 полос, а каждая полоса — на 100 элементов. На передающей станции надо измерить тон каждого элемента и соответственно повернуть регулятор тока. На приемной станции это изменение тока изменит силу света лампы, которая засвечивает участок фотопленки. Теперь нужно перейти к следующему элементу на передающей станции и соответственно передвинуть фотопленку на приемной. Идея хороша, но если тратить только 5 секунд на передачу одного элемента, то на передачу всей фотографии понадобится, увы, 14 часов непрерывной работы. Вот если бы регулятор тока работал автоматически, мгновенно измеряя тон каждого элемента и сообщая его приемной станции...

Таким автоматическим регулятором может служить селеновый фотоэлемент. Сфокусированный свет лампы, пройдя сквозь фотографию, свернутую в виде цилиндра, отражается зеркальцем на селеновый фотоэлемент, который регулирует ток в телеграфном проводе. Вращается цилиндр на передающей станции, строго с той же скоростью вращается цилиндр на приемной станции. Медленно ползет вниз лампа, «просматривающая» фотографию,— с той же скоростью ползет луч, засвечивающий фотопленку. А селеновый образец посылает в линию связи импульсы, точно отражающие прозрачность очередного элемента. Просто, не так ли?

Между тем Корн потратил на реализацию своей идеи более трех лет. И  проблемой был вовсе не селен, нет, полупроводник работал безотказно.

Главная сложность была в достижении полной синхронности механических перемещений и равенства скоростей вращения барабанов.

Наконец, к 1907 году проблема была решена. И вот демонстрация в Париже. Барабаны, установленные слева и справа от Корна,— это передающая и приемная станции. А провода, выходящие из передающей станции, подсоединены к телеграфной линии Париж — Лион. (На второй странице обложки помещена фотография из французского журнала «L 'Illustration», в котором сообщалось о сенсационном эксперименте Корна.) Сигнал от селенового элемента бежит по одной паре проводов в Лион, а по другой — обратно, в Париж, всего 1000 километров. Фотография, помещенная в передающем цилиндре, «просматривалась» 12 минут. Пленку из приемного цилиндра тут же проявили и отпечатали — и под рукоплескания зала была продемонстрирована фотография президента Французской республики Фоллиера. Корн, принимая поздравления, заявил, что не сомневался в успехе, так как несколько ранее им был столь же удачно передан портрет президента Рузвельта по линии Мюнхен — Нюрнберг — Мюнхен.

Передача изображений с помощью фотоэлемента стала быстро завоевывать признание. Аппараты, действующие по разработанному Корном принципу, удалось усовершенствовать настолько, что они могли с высокой четкостью передавать на расстояние мелкий газетный текст.

*   *   *

Таким был этот самый первый и не слишком известный виток истории полупроводниковых приборов. Зародившиеся в конце XIX века, они на год опередили появление телефона и трансформатора, на 20 лет — радио и почти на 50 лет — ... самих себя, то есть рождение класса «полупроводниковых приборов»! Как ни парадоксально, но изобретение Корна было последним крупным событием на этом начальном этапе. Новых приборов пришлось ждать еще долгие десятки лет. Это время понадобилось для создания квантовой теории электрических свойств полупроводников, разработки уникальных методов их очистки от случайных примесей, а также способов введения строго контролируемого количества нужных примесей, изготовления сложных комплексов оборудования для производства приборов. Только после этого на рубеже 50-х годов нашего столетия и стало возможным начало «полупроводниковой революции», одним из самых передовых отрядов которой является современная оптическая полупроводниковая электроника.

Эта интереснейшая наука, сокращенно называемая оптоэлектроникой, изучает законы превращения электрического тока через полупроводник в свет и обратные законы, по которым свет, падающий на полупроводник, вызывает в нем электрические сигналы. На основе оптоэлектроники сегодня создано огромное количество приборов, прочно вошедших в нашу жизнь и ставших уже привычными. Достойно удивления и восхищения то, что более 100 лет назад ученые сумели не только изготовить первые оптоэлектронные приборы, но и с поразительной интуицией предвосхитить важнейшие области их будущего использования и развития.

Чувствительный фотометр Сименса стал прообразом современных полупроводниковых приемников света — фотодетекторов. Они улавливают слабые оптические сигналы на расстоянии десятков километров от источника, «читают» оптические команды современных станков с программным управлением, сигнализируют об обрыве или окончании ленты в магнитофонах и выполняют еще много важных задач.

Попытка Дж. Кэри изготовить светящийся экран для передачи изображения на расстояние сегодня находит свое продолжение в работах исследователей многих стран по созданию плоского телевизионного экрана, призванного заменить громоздкий кинескоп современных телевизоров. Информационные табло («светящиеся газеты»), установленные на крышах зданий в Москве, Ленинграде и других городах, прямо реализуют смелую идею столетней давности.

Фотофон Белла, который был надолго забыт в результате многолетнего триумфального шествия электрического телефона по всему миру, в 70-е годы XX века родился заново в виде систем оптической телефонной связи. Эти  системы  позволяют по одному оптическому  кабелю  передавать  одновременно тысячи телефонных разговоров; не будь таких систем, и к началу XXI века, по мнению специалистов, телефонная сеть стала бы настолько перегруженной, что при наборе любого номера непременно звучал бы сигнал «занято».

В самые отдаленные уголки нашей страны каждое утро поступают свежие газеты, переданные по фототелеграфу, придуманному в начале века.

Все большее значение в качестве источников электроэнергии приобретают солнечные батареи. Они установлены на космических кораблях, на крышах зданий в высокогорных районах, в микрокалькуляторах. Идея создания таких батарей была выдвинута в 1884 году. В 30-х годах нашего столетия академик А. Ф. Иоффе организовал первые работы по изготовлению высокоэффективных солнечных элементов.  

Эти и многие другие замечательные приборы, уже созданные и те, что появятся в будущем, сегодняшний и завтрашний день оптической электроники — все это зародилось более ста лет назад, в несовершенных экспериментах со скромным кристалликом селена.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Радиоэлектроника формирует знания в области аппаратных средств обеспечения каналов связи в используемых на сегодня диапазонах длин волн вплоть до ММ-диапазона (исключая оптический и инфракрасный). Попутно ставится задача ознакомления с основными схемами и техническими решениями наиболее широко употребляемых узлов радиоаппаратуры.


ЛЕКЦИЯ 4.  ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 

Информационная технология - совокупность методов, производственных и программно-технологических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации. Информационные технологии предназначены для снижения трудоемкости процессов использования информационных ресурсов.

Под информационными технологиями (ИТ) чаще всего понимают компьютерные технологии. ИТ имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для хранения, преобразования, защиты, обработки, передачи и получения информации. Специалистов по компьютерной технике и программированию часто называют ИТ-специалистами.

Согласно определению, принятому ЮНЕСКО, информационные технологии — это комплекс взаимосвязанных, научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Бурная экспансия Internet обнажила целый ряд проблем, решение которых затрагивает самые глубокие корни жизни общества. Это не только технические и технологические аспекты, не только социально-экономические и психологические проблемы, но и философско-мировоззренческие и даже религиозные.

Человечество вступило в новую фазу Второй Промышленной Революции, о которой писал еще в начале 50-х годов Норберт Винер в своей книге “Кибернетика и общество (или гуманное отношение к человеку)” [1].

Сейчас буквально на наших глазах создается “нервная система” нового “существа” под названием Человечество. Это и совершенно новый уровень общения между отдельными личностями через Сеть, и интеграция компьютерных технологий с телевидением и традиционными средствами коммуникации, и новые возможности концентрации и распределения информации через CALL – центры, и новые горизонты электронной коммерции с технологией “самообслуживания” (self-service), и новая технология взаимодействия между предприятиями (Supply Chain, CRM, Virtual Enterprise ), и новый уровень электронной поддержки “жизненного цикла” (Life Cycle) продукции. Сюда же относится и активная работа по созданию “единого электронного пульса” – системы синхронизации компьютеров по Гринвическому времени (Greenwich Electronic Time, GET). При этом требования к мощностям технических средств все более смещаются с уровня “клиента” и ПК на уровень серверов приложений и серверов баз данных. На верхние уровни выносятся , не только доступные через Internet базы данных, не только средства создания и ведения собственных Web сайтов, но и ERP приложения, например, Oracle Applications [2]. При этом общие ресурсы все более “отчуждаются” от конкретных предприятий и организаций.

Новые технологии возродили интерес к увеличению мощности компьютеров и к уходу от технологии клиент/сервер. Так Ларри Эллисон будучи главным апологетом технологии клиент/сервер, недавно провозгласил: “назад к мэйнфреймам”, имея в ввиду, конечно, совсем другую техническую и технологическую основу. Безусловно, сегодня налицо предпосылки качественно нового уровня “информационно-когнитивного потенциала” общества, который, по определению Юлия Шрейдера [3], включает возможности общества по накоплению, хранению, передачи знаний (в том числе и прямое общение, и системы образования и повышения квалификации), а также средства и кадры для обработки, хранения, поиска и передачи информации.

Однако на пути эффективной реализации этого потенциала встает целый ряд проблем.

Важнейшей тенденцией, определяющей развитие мировой экономики в конце XX - начале XXI веков, является процесс глобализации. Процесс глобализации - процесс многофакторный, состоящий из множества явлений и разного рода тенденций. Вместе с тем, процесс глобализации имеет ряд характерных черт, которые доступны для анализа и могут быть должным образом исследованы.

В условиях глобализации главной движущей силой прогресса становятся знания и технологии обмена информацией. Глобализация предполагает максимальное обострение конкуренции, а в конкурентной борьбе, побеждает тот, кто владеет информацией, тот, кто делает ставку на производство знаний и умеет эффективно их использовать. Поэтому исследование «новой экономики», которая по сути своей является экономикой знаний, представляется весьма актуальным.

Информатизация мировой экономики - создание глобальных телекоммуникационных сетей, развитие Интернета, разработка новых технологий, программного обеспечения и высокотехнологического оборудования, развитие мирового рынка ИТ-услуг определила и характер глобализации, и темпы ее развития.


Перспективы развития компьютерной техники

Все мы прекрасно знаем, что в последние годы компьютер и компьютерная техника стали неотъемлемой частью нашей жизни. Ни одна фирма, не представляет свою работу без компьютера и продвинутого программного обеспечения. Двадцать лет назад, компьютер считался роскошью, и увидеть его можно было крайне редко. Компьютерами пользовались только огромные предприятия. 
Теперь же компьютер имеется в каждом доме, практически в каждой семье. Даже школьники выполняют свои домашние задания с помощью компьютера. 

Можно сказать что ЭВМ – это величайшее достижение человечества. 
В настоящее время очень огромной популярностью начинают пользоваться 
МикроПК.

По словам учёных и исследователей, в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся, так как уже сегодня ведутся разработки новейших технологий, которые ранее никогда не применялись. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры и оптические компьютеры. Компьютер будущего должен облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз!

Информационные технологии изменили не только способ работы - они изменили способ делового стратегического мышления. Первые быстродействующие компьютеры использовались предпринимателями в основном для автоматизации процессов, которые раньше выполнялись вручную большим числом сотрудников невысокой квалификации; типичный пример - обработка данных. Сегодня новая техника и технологии применяются не только для автоматизации сбора и обработки данных, но и для реализации новых идей, новых способов получения конкурентного преимущества. Распределенные информационные системы и сетевые технологии сузили мир до размеров рабочего стола и экрана монитора, безгранично увеличив деловые возможности за счет быстрого и простого доступа к огромным объемам информации и инструментам работы с ней.

Информационные технологии, ИТ (Information Technology - IT) - широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям формирования и управления процессами работы с данными и информацией, в том числе с применением вычислительной, компьютерной и коммуникационной техники.

В настоящее время под информационными технологиями чаще всего понимают компьютерные технологии. В частности, ИТ имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для сбора, преобразования, обработки, хранения, защиты, передачи информации заинтересованному пользователю.

Информационная система, ИС (Information System - IS) - система, предназначенная для реализации и ведения информационной модели какой- либо области человеческой деятельности. Эта система должна обеспечивать следующие средства для протекания информационных процессов:

Информация, данные, знание и развитие экономики

В XX веке слово "информация" стало термином во множестве научных областей, получив особые для них определения и толкования.

Информацией (от лат. informatio - "научение", "сведение", "оповещение") называется опосредованный формами связи результат отражения изменяемого объекта изменяющимся с целью сохранения их системной целостности. Информация первична и содержательна - это категория, поэтому в категориальный аппарат науки она вводится портретно - описанием, через близкие категории: материя, система, структура, отражение. В материальном мире (человека) информация материализуется через свой носитель и благодаря ему существует. Сущность материального мира предстает перед исследователем в единстве формы и содержания. Передается информация через носитель. Материальный носитель придает информации форму. В процессе формообразования производится смена носителя информации. Определения термин "информация" не имеет, так как не является понятием. Существует информация в каналах связи систем управления. Не следует путать категорию "информация" с понятием "знание". Знание определяется через категорию "информация".

Данные (от лат. data) - это представление фактов и идей в формализованном виде, пригодном для передачи и обработки в некотором информационном процессе. Данные - это выделенная (из системы, благодаря обособленности существования носителя) информация.

Знание - в философском смысле: понимание осознанного чувства; в широком смысле: совокупность понятий, теоретических построений и представлений, адекватно отражающих объективные закономерности реального мира.

Знание - это закономерности предметной области (принципы, связи, законы), полученные в результате практической деятельности и профессионального опыта, позволяющие специалистам ставить и решать задачи в этой области [Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. Учебник. СПб.: Питер, 2000].

Знание - проверенный практикой результат познания действительности, адекватное её отражение в сознании человека. Знание противоположно незнанию, то есть отсутствию проверенной информации о чем-либо.

Приведем несколько важных характеристик информации, делающих ее объектом использования в бизнесе:

Экономическая информация - это совокупность сведений о реальных социально-экономических процессах в обществе, которая служит основой для изучения и управления этими процессами и людьми, объединенными в социальные и производственные организации. Для экономической информации характерны следующие параметры:

Информация осознана современным обществом как необходимое условие прогресса. Наибольший экономический успех сегодня сопутствует тем предприятиям, которые активно используют современные средства коммуникаций, информационные технологии и их приложения. Новые информационные технологии и связанные с ними прикладные задачи требуют создания новой среды - информационной, а также систем управления информационными ресурсами.

На фундаментальность понятия "информация" указывал еще основоположник кибернетики Норберт Винер. Феномен информации оказался настолько неоднозначным, что по праву считается одной из сложнейших проблем современности. Уже сами попытки подобраться к понятию информации, различные его трактовки в трудах ученых и практиков заставляют задуматься о необычной роли информации в жизни развивающихся систем.

Виртуальная реальность, пожалуй, остаётся одним из самых интересных и загадочных понятий компьютерной индустрии. Появившись ещё в прошлом веке, это понятие до сих пор притягивает к себе ученых, дизайнеров, кинорежиссёров, писателей-фантастов, ну и конечно же геймеров. Виртуальная реальность — это образ искусственного мира, моделируемый техническими средствами и передаваемый человеку через ощущения. В данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности: проектировании и дизайне, добыче полезных ископаемых, военных технологиях, строительстве, тренажерах и симуляторах, маркетинге и рекламе, индустрии развлечений и т.д... 

Компьютерная техника развивается с сумасшедшей скоростью и иногда очень сложно уследить или идти за ней в ногу. 

Но мы можем сказать с полной уверенностью, что высокие технологии – это наше будущее и это успех всего человечества. На этом процесс развития далеко не остановлен.

Ежедневно выпускаются новые и более совершенны модели компьютерной техники. 



Об облачных вычислениях

Что такое облачные вычисления?

Суть концепции облачных вычислений заключается в предоставлении конечным пользователям удаленного динамического доступа к услугам, вычислительным ресурсам и приложениям (включая операционные системы и инфраструктуру) через интернет. Развитие сферы хостинга было обусловлено возникшей потребностью в программном обеспечении и цифровых услугах, которыми можно было бы управлять изнутри, но которые были бы при этом более экономичными и эффективными за счет экономии на масштабе.

Большинство сервис-провайдеров предлагают облачные вычисления в форме VPS-хостинга, виртуального хостинга, и ПО-как-услуга (SaaS).Облачные услуги долгое время предоставлялись в форме SaaS, например, Microsoft Hosted Exchange и SharePoint.

Сложные бизнес-процессы

Вычислительные облака состоят из тысяч серверов, размещенных в датацентрах, обеспечивающих работу десятков тысяч приложений, которые одновременно используют миллионы пользователей. Непременным условием эффективного управления такой крупномасштабной инфраструктурой является максимально полная автоматизация. Кроме того, для обеспечения различным видам пользователей - облачным операторам, сервис-провайдерам, посредникам, ИТ-администраторам, пользователям приложений - защищенного доступа к вычислительным ресурсам облачная инфраструктура должна предусматривать возможность самоуправления и делегирования полномочий.

Концепция облачных вычислений значительно изменила традиционный подход к доставке, управлению и интеграции приложений. По сравнению с традиционным подходом, облачные вычисления позволяют управлять более крупными инфраструктурами, обслуживать различные группы пользователей в пределах одного облака, а также означают полную зависимость от провайдера облачных услуг.

Преимущества облаков

Облачные вычисления - это эффективный инструмент повышения прибыли и расширения каналов продаж для независимых производителей программного обеспечения (ISV), операторов связи и VAR-посредников (в форме SaaS). Этот подход позволяет организовать динамическое предоставление услуг, когда пользователи могут производить оплату по факту и регулировать объем своих ресурсов в зависимости от реальных потребностей без долгосрочных обязательств.

Для хостеров облачные вычисления обеспечивают огромный потенциал роста. Индустрия облачных вычислений стремительно развивается и, по прогнозам аналитиков, к 2012 году на ее долю будет приходиться 9% всех расходов на ИТ. Кроме того, акценты в отрасли все больше смещаются от хостинга к облачным вычислениям и SaaS, и ваши клиенты наверняка ожидают от вас движения в этом направлении.

Типы облаков

По мнению Parallels, в ближайшие 5-10 лет бОльшая часть ИТ переместится в облака пяти различных типов. Будут проприетарные платформенные облака, предоставляющие различные платформенные услуги, – Google (тип 1), Microsoft (тип 2) и другие крупные ИТ игроки (тип 3), такие как IBM, Apple, HP и Amazon.

Будут облака услуг (тип 4), где мы ожидаем возникновение тысяч облачных провайдеров, предлагающих широкий спектр услуг. В качестве примера можно привести веб-хостинг и хостинг приложений, вертикально интегрированные структуры (правительство, здравоохранение, и т.д.), независимых производителей ПО (стратегическое развитие бизнеса, системы клиентской поддержки и т.д.), телекоммуникационные услуги (голосовая почта, VOIP). И наконец будут облака, управляемые корпоративными ИТ (тип 5), которые будут предоставлять услуги для внутреннего использования и для использования сотрудниками и партнерами.

«Вычислительные облака» против производителей компьютеров

Вычислительное облако представляет собой сеть компьютеров, которые совместно выполняют одну вычислительную задачу. Они предназначены для различных тяжелых расчетов, занимающих много времени. Как правило, такие операции вылетают многим компаниям в копеечку. Кроме больших затрат времени приходится приобретать большое количество мощных компьютеров. Для многих небольших и средних компаний такие расходы выглядят просто чудовищными. Подумайте сами, может ли небольшая фирма закупить 500 серверов, настроить их, и еще обслуживать в процессе работы. (а крупным компаниям с крупными расчетами организация таких вот вычислений может стоить уйму денег)

Но жизнь не стоит на месте. С развитием интернет было найдено решение. Компания Amazon уже сейчас предоставляет в аренду свои компьютеры для сложных вычислений. Более того, компания делает ставку в будущем именно на этот вид заработка, отдавая ему основные приоритеты(и это заявили представители крупнейшего в мире розничного интернет-магазина). Amazon занимается арендой своих вычислительных мощностей уже с марта 2006 года. Вице-президент Amazon Web Services недавно заявил, что компания очень довольна текущими доходами с «облаков», а также будущими перспективами их роста. Тем не менее, точных цифр по издержкам и доходам Amazon Web Services не приводила. Журнал Forbes решил подсчитать приблизительные доходы Amazon с аренды компьютеров. Получились достаточно интересные результаты. Известно, что большая часть компьютеров в парке Amazon стоит в районе 300 долларов. В среднем каждый компьютер Amazon приносит в час 0,1 доллара(в случае работы, если же он используется просто для хранения информации, то Amazon берет 0,18 доллара). А это означает, что в год Amazon может иметь с каждого компьютера 876 долларов. При этом стоит учитывать, что компания еще тратит деньги на электричество и обслуживание, но они как правило, не превышают стоимости компьютера. В среднем Amazon использует один компьютер 2 года. Получается, что валовая прибыль может составить 45 процентов, что на сегодняшний день выше, чем книжный бизнес компании(а это пока ее основной хлеб).

Даже для крупных компаний аренда «вычислительных облаков» может стать отличным решением. Например, если вам требуется вести по-настоящему большие расчеты. Например, пересчитать какие-то устаревшие данные, которые исчисляются десятками или сотнями миллионов значений. В таком случае такой расчет обойдет вам в миллионы долларов несколько лет работы(иногда больше). А если же арендовать компьютеры у Amazon вы сможете уложиться в несколько десятков(или сотен) тысяч долларов и сделать работу за несколько недель(месяцев).

Впрочем, столь лакомый кусок уже заинтересовал других гигантов интернет-бизнеса. Компания Yahoo! сейчас активно занимается внедрением такой системы у себя. Да и Microsoft по ожиданиям аналитиков должна представить свое «вычислительно облако» уже этой весной. Единственный из гигантов, который пока не выразил особого интереса к сдаче своих вычислительных мощностей в аренду – это Google. Для компании AdWords продолжает оставаться единственным видом заработка. 

Есть конечно и недовольные. Развитие вычислительных облаков крайне отрицательно восприняли крупнейшие производители компьютеров, такие как Dell, Hewlett-Packard и Sun Microsystems. Ведь это прямой удар по их бизнесу. Сами они пока не торопятся сдавать свои компьютеры в аренду, по понятным причинам. Однако в складывающейся ситуации, скорее всего, у них просто не будет выбора. Единственное логичное решение – организовать свой вычислительный центр, чтобы хоть как-то смягчить удар. Также развитие вычислительных облаков в перспективе может сказать и на крупных хостинговых компаниях, так как хранить данные на Amazon уже на 90% дешевле, чем на серверах таких знаменитых хостинговых компаний, как Rackspace и Equinix.


ЛЕКЦИЯ 5.  НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИТ

По материалам корпорации Intel.

Многие эксперты полагают, что год 2006-й войдет в историю как очередная веха в области развития высоких технологий. За последние четверть века — с 1981 г., когда был создан первый персональный компьютер, — компьютерная индустрия еще не претерпевала столь бурного развития в течение одного лишь года.

В прошедшем году мир ПК и вычислений кардинально изменился. Появились многоядерные процессоры, а компьютеры с двумя или четырьмя вычислительными ядрами стали реальностью. В немалой степени этому способствовала деятельность корпорации Intel (http://www.intel.com), неуклонно внедряющей технологические инновации и разрабатывающей и выпускающей рекордное количество новых моделей процессоров. Эксперты корпорации определили и исследовали основные тенденции развития информационных технологий в ближайшее время. Ожидается, что вскоре именно они станут теми факторами, которые изменят стиль работы и жизни людей.

Мобильность

Повсеместная мобильность в ближайшее время станет реальностью. Корпоративные и домашние пользователи по достоинству оценили удобства мобильных вычислений, уже сегодня каждый третий проданный ПК — это ноутбук. Портативные вычислительные устройства становятся все более производительными и удобными, а их энергопотребление снижается, поэтому у людей появляется гораздо больше возможностей для работы и отдыха. В прошлом году Intel представила платформу для ультрамобильных ПК. Ожидается, что к концу текущего десятилетия устройства на базе подобных платформ будут потреблять в десять раз меньше электроэнергии по сравнению с сегодняшними моделями.

В начале 2006 г. Intel впервые выпустила двухъядерный процессор Intel Core Duo для ноутбуков, увеличив на 30% производительность системы и снизив ее энергопотребление более чем на 20%. Возможность длительной работы от аккумулятора, беспроводной доступ и ультратонкий корпус стали главными отличительными чертами торговой марки Intel Centrino Duo для мобильных ПК. В июле корпорация анонсировала процессор Intel Core 2 Duo для ноутбуков с производительностью еще на 20% выше, чем у Intel Core Duo. Сегодня продажи ноутбуков превратились в самый быстрорастущий — по сравнению с продажами настольных ПК и серверов — сегмент компьютерного рынка.

Интернет

Повсеместный широкополосный доступ в Интернет тоже становится реальностью. Сегодня практически половина жителей Европейского союза регулярно использует Интернет. Поэтому неудивительно, что в 2006 г. потребность в высококачественном скоростном доступе в сеть существенно выросла. В наступившем году новые беспроводные телекоммуникационные технологии, такие, как WiMAX, позволят достичь огромного прогресса в этой области. В прошедшем году наблюдался бурный рост сетей, использующих технологию WiMAX, — более 250 таких сетей по всему миру было запущено в опытную или коммерческую эксплуатацию. Этому росту в немалой степени способствовали разработки и инвестиции таких компаний, как Intel, Sprint, Motorola, Clearwire и других. Развитие беспроводных сетей в направлении повышения скорости доступа, увеличения зон покрытия и экономической эффективности — ключевая задача для обеспечения повсеместного доступа в Интернет и более широкого распространения технологий беспроводного доступа во всем мире.

Топ-менеджеры Intel считают, что следующим переворотом в ИТ-отрасли станет именно повсеместный широкополосный доступ в Интернет, в любое время и в любом месте. Корпорация сертифицировала свыше 90 тыс. точек беспроводного доступа по всему миру на совместимость с технологией Intel Centrino Duo для мобильных ПК. Intel постоянно сотрудничает с правительственными органами разных стран с целью расширения возможностей мобильного доступа. Уже появились полностью «беспроводные» города — такие, как Бохум в Германии или Умео в Швеции.

Телекоммуникации

Развитие телекоммуникационных технологий — от обычной связи до инструментов совместной работы — достигнет качественно нового уровня. Электронная почта, мобильные телефоны и Интернет значительно ускорили и упростили общение людей, все эти средства связи сегодня оказывают огромное влияние на повседневную жизнь. Но сейчас человечество стоит на пороге новой эры телекоммуникаций. Современные технологии позволяют организовать обмен мультимедийной информацией и обеспечивают общение с высоким уровнем качества и реалистичностью. Использование видеоконференций и Web-конференций для частных и деловых контактов сделает связь более прямой и непосредственной, она станет мощным средством налаживания взаимоотношений. По прогнозам, к 2015 г. 80% всех корпоративных работников в мире будут работать совместно, и при этом у них не будет необходимости в личных встречах. Таким образом, важность технологий для организации коллективной деятельности будет и дальше расти.

Intel поддерживает инициативы в области развития технологий коллективной работы и способствует их продвижению. Средства IP-телефонии встраиваются в самые разные виды продукции: от карманных и настольных ПК до оборудования операторов связи. Корпорация сотрудничает с ведущими отраслевыми партнерами в разработке защищенных стандартных платформ и вкладывает средства в развитие перспективных компаний через организацию Intel Capital Communications Fund.

Мультимедиа

Рост мощности и производительности вычислительных систем в сочетании с появлением новых бизнес-моделей в индустрии развлечений приведет к значительному увеличению объемов загружаемой из Интернета мультимедийной информации. Ожидается, что к концу 2010 г. жители Европы будут тратить на загрузку фильмов 690 млн евро (в 2005 г. эта сумма составляла менее 10 млн евро). Чтобы посмотреть новейший фильм, уже необязательно будет идти в кинотеатр или даже покупать диск в магазине.

Представленная в 2006 г. технология Intel Viiv поддерживает воспроизведение мультимедийного контента от самых разных онлайн-поставщиков. Впервые в отрасли специализированный канал розничных продаж цифровой развлекательной информации Coolroom обеспечивает передачу контента по домашней сети, предоставляя возможность загружать популярные фильмы и смотреть их в любой комнате дома, независимо от того, где установлен компьютер.

В течение нескольких следующих лет доступность высокопроизводительных ПК станет стимулом для разработки еще более интересных и сложных приложений. Многоядерные процессоры архитектуры Intel позволят организовать реальную многозадачную среду. Поиск вирусов или резервное копирование можно будет выполнять в фоновом режиме, при этом работа основных приложений не будет замедляться, что бы у вас ни было запущено на ПК — электронная почта, участие в видеоконференции, редактирование изображений или табличные вычисления.

По мнению представителей Intel, сегодня в отрасли высоких технологий происходят самые серьезные перемены за последние десятилетия. Начинается новая эра, когда вопросы производительности и энергосбережения становятся важнейшими для всех сегментов рынка и для всех аспектов вычислений. Чтобы соответствовать возрастающим потребностям пользователей, корпорация планирует каждые два года внедрять новую микроархитектуру. Это позволит к 2010 г. достичь еще более высокого уровня производительности.

Отметим, что в прошлом году Intel представила рекордное количество процессоров — более 40 моделей менее чем за 200 дней. А летнее представление двухъядерных процессоров семейства Intel Itanium 2 обеспечило этой архитектуре самый высокий показатель роста продаж среди всех процессоров на базе архитектур, отличных от x86. В ноябре Intel начала поставки четырехъядерных процессоров Intel Core 2 Extreme, что еще больше увеличило отрыв ее процессоров по производительности.

Энергоэффективность

Необходимость соблюдения экологических и экономических требований приведет к тому, что в 2010 г. энергоэффективности вычислительных систем будет уделяться особое внимание. При этом количество вычислительных устройств будет расти, а их функциональные возможности — увеличиваться. Согласно результатам недавних исследований, из-за глобального потепления доходы мировой экономики могут сократиться на 20%. Однако в докладе Stern об изменениях климата сообщается, что если начать принимать необходимые меры уже сейчас, то расходы на них не превысят 1% от мирового ВВП.

Сегодня многие ИТ-руководители стремятся к сокращению затрат на электроэнергию, при этом повышение производительности обязательно должно сопровождаться снижением энергопотребления. Процессор Intel Core 2 Duo для настольных ПК обеспечивает увеличение производительности на величину до 40% и снижение потребляемой мощности также на величину до 40% по сравнению с процессором Intel Pentium D 965 для профессиональных систем. К 2010 г. корпорация планирует повысить производительность своей продукции в расчете на 1 Вт на 300% по сравнению с имеющимися моделями. Внедрение 32-нм производственного процесса позволит создавать карманные ПК, которые будут потреблять всего 0,5 Вт электроэнергии и в то же время их вычислительной мощности будет достаточно для работы Windows Vista.

Напомним, что в настоящее время Intel использует производственные мощности, поддерживающие 65-нм технологию, для удовлетворения мирового спроса на процессоры Intel Core 2 Duo и другую новую продукцию. Кроме того, корпорация успешно продемонстрировала производственный процесс следующего поколения на основе 45-нм технологии. Два завода по производству 45-нм продукции планируется ввести в строй в этом году, а первая пробная партия 45-нм изделий была выпущена уже в конце 2006 г.

Доступность ИТ

Ликвидация цифрового неравенства будет оставаться приоритетной задачей. Развитие ИТ дает людям огромные преимущества, но все острее встает проблема, связанная с тем, что эти технологии доступны пока еще не всем. Поэтому ликвидация цифрового неравенства во всем мире становится одной из важнейших задач. До недавнего времени основное внимание уделялось организации доступа к высоким технологиям, но теперь настало время задуматься о результатах этого процесса. Более того, даже в Европе до цифрового равенства еще далеко. Например, сегодня только 45% жителей Польши имеют доступ к ПК. В рамках программы Intel World Ahead корпорация в течение пяти лет инвестирует 1 млрд долл. в организацию повсеместного массового доступа к ИТ, чтобы способствовать повышению уровня жизни людей. Недавно в Intel создали беспроводную высокоскоростную сеть для доступа в Интернет в городе Паринтинс, расположенном на острове на реке Амазонка. Теперь его жители смогут с помощью компьютеров получать медицинскую помощь, пользоваться образовательными ресурсами, заниматься коммерцией.

Intel реализует по всему миру специальные программы, взаимодействуя с развивающимися странами и локальными экономическими сообществами с целью повышения доступности компьютерных технологий для населения и бизнеса. Платформы Eduwise, Rural PC и Discover the PC поддерживают разнообразные функции, в том числе ориентированные на обучение детей, а также имеют дополнительные возможности — специальные коммуникационные функции или средства подключения к автомобильному аккумулятору для работы в условиях частых перемещений либо в удаленных районах с нестабильным энергоснабжением. Таким образом Intel способствует преодолению технологического отставания развивающихся стран для того, чтобы донести цифровые технологии до самых отдаленных групп населения, не имеющих других возможностей приобщения к достижениям современной цивилизации в силу экономических или образовательных барьеров.

Ликвидация компьютерной безграмотности

Ликвидация компьютерной безграмотности станет важнейшей задачей в Европе. Доступ к ИТ может принести выгоды отдельным людям, обществу в целом и экономике только в том случае, если люди смогут пользоваться этими технологиями. Многие пока не считают это проблемой, но в то же время больше трети жителей Европейского союза вообще не имеют опыта работы на компьютере. Приобретение технических знаний необходимо в первую очередь для создания в Европе интеллектуальной экономики, не говоря уже о повышении уровня жизни. Программа Intel «Обучение для будущего» способствует эффективной интеграции ИТ в образовательный процесс. Эта программа была принята в 2000 г., и к настоящему времени в ее рамках прошло обучение свыше 1,5 млн учителей из более чем 30 стран. В программу вовлечено 19 стран Европы, Ближнего Востока и Африки.

Цифровые технологии в здравоохранении

В ближайшие годы нагрузка на медицинские организации в Европе существенно вырастет. В 1995 г. пожилое население Европейского союза (старше 65 лет) составляло 15,4%, а к 2025 г., по прогнозам, доля пожилых людей достигнет 22,4%. Для повышения эффективности медицинской помощи и сокращения расходов на здравоохранение необходимо массовое внедрение ИТ, что позволит собирать значительно больше информации о пациентах. Еще более важно, что такие разработки, как системы ведения историй болезни в электронной форме, оборудование для дистанционного мониторинга и датчики, определяющие состояние больных, способны значительно повысить качество лечения и ухода. Совместно с Asklepios Group, самой крупной частной медицинской организацией в Германии, Intel занимается внедрением беспроводных технологий и установкой беспроводной операционной в новой клинике Barmbek Hospital в Гамбурге. Эти системы позволят улучшить связь между пациентами и медицинскими работниками, а также повысить эффективность лечения и ухода за больными.

На пути к пета-системам

Разработки Intel в области полупроводниковой фотоники, включая недавно представленный полупроводниковый гибридный лазер, позволят повысить скорость обмена данными между микросхемами, преодолев тем самым барьеры на пути к созданию еще более быстродействующих компьютеров. Исследователи корпорации продолжают разрабатывать технологии, отвечающие ожиданиям и потребностям людей. Так, один из самых мощных в Европе суперкомпьютеров Finis Terrae (более 2,5 тыс. процессорных ядер Intel Itanium 2) будет использоваться для международных исследовательских проектов.

Показано, что в среднем вычислительная мощь настольных ПК отстает от уровня производительности суперкомпьютеров на 13 лет. Иными словами, по уровню производительности сегодняшние профессиональные ПК практически полностью соответствуют суперкомпьютерам 13-летней давности. Именно поэтому исследование рынка высокопроизводительных вычислений — хороший способ оценить направление развития массовых компьютеров будущего. Не так давно суперкомпьютеры преодолели планку производительности в 1 TFLOPS (триллион операций с плавающей запятой в секунду), уже не за горами достижение ими производительности уровня петафлопс (PFLOPS — квадриллион, или 1015 операций с плавающей запятой в секунду), тогда как тера-вычисления станут уделом среднестатистического пользователя ПК.

По оценкам экспертов, для задач аэродинамики достаточно производительности в несколько PFLOPS, для задач молекулярной динамики требуется уже 20 PFLOPS, для вычислительной космологии — фантастическая производительность на уровне 10 EFLOPS (один экзафлопс равен квинтиллиону, или 1018 операций с плавающей запятой в секунду), а задачи вычислительной химии потребуют еще более мощных процессоров. Инженеры-исследователи Intel полагают, что компьютеры с производительностью, равной секстиллиону (1021) операций с плавающей запятой в секунду, появятся к 2029 г. Они также не без оснований считают, что проблемы и достижения сегодняшних суперкомпьютеров станут проблемами и достижениями завтрашних настольных ПК. Рынок высокопроизводительных вычислений растет — его объем уже достиг 10 млрд долл., а в некоторых секторах ежегодный рост продаж превышает 30%; растет и количество проданных во всем мире профессиональных высокопроизводительных компьютеров на базе процессоров Intel.

Немного истории

Всего 60 лет назад ламповый компьютер ENIAC, считавшийся технологической вершиной в области высокопроизводительных вычислений, имел лишь 20 ячеек оперативной памяти. В середине 60-х годов появился суперкомпьютер CDC 6600, производительность которого достигла 9 MFLOPS. И только в 1997 г. суперкомпьютер ASCII Red, содержавший 9298 процессоров Intel Pentium Pro, вышел на уровень производительности в терафлопс. Сегодня система на базе 464 четырехъядерных процессоров Intel Xeon серии 5300, занимающая гораздо меньший объем, обладает вшестеро большей пиковой производительностью.

Согласно сегодняшним оценкам, первые пета-суперкомпьютеры появятся уже в 2008–2009 гг. Чтобы это высчитать, достаточно взять параметры производительности самых высокоскоростных компьютеров в мире, опубликованные на сайте http://www.top500.org, и экстраполировать их в соответствии с наблюдаемыми тенденциями роста. Однако для того чтобы создать пета-компьютеры для массового рынка, предстоит решить немало серьезных проблем. С этой целью Intel вместе со своими партнерами ведет исследования по следующим направлениям:

По мнению руководителей корпорации, для достижения уровня пета-вычислений с помощью современных технологий повышения производительности полупроводниковых микросхем потребуется создать процессор со 100 тыс. вычислительных ядер. Для практической реализации таких систем придется существенно повысить плотность размещения ядер на кристалле. Сегодня ведутся активные споры по поводу того, что лучше для архитектуры будущих компьютеров — множество небольших ядер, оптимизированных для ускорения параллельных вычислений, или несколько более крупных ядер, ускоряющих последовательные вычисления. Склоняясь к первому пути развития, исследователи понимают, что ставят перед собой трудоемкую задачу перевода программной индустрии на рельсы параллельного программирования.

Следующая область исследований Intel — организация соединений вычислительных ядер между собой. Соединения с помощью общей шины занимают меньше места, обладают высокой пропускной способностью и хорошо масштабируются, но неэффективны по энергопотреблению. Второй вариант — «кольцевое» соединение ядер для передачи сигналов. Недостаток такой схемы состоит в низком уровне масштабируемости при увеличении числа ядер. Третий вариант — это матричная архитектура, когда каждое ядро связывается с каждым через цепочку соседних ядер.

Стоить вспомнить, что на осеннем Форуме Intel для разработчиков IDF в Сан-Франциско был представлен прототип процессора с 80 ядрами, который потенциально обеспечит настольным компьютерам производительность уровня терафлопс. Ориентировочная дата выхода подобного процессора на рынок — 2010 г. или даже ранее. В основе прототипа процессора лежит архитектура x86 и такие разработки Intel, как система высокопроизводительных вычислений на микросхеме (HPC-on-chip), новая структура соединений элементов памяти, новые энергосберегающие технологии и т. д. Напомним, что в 2006 г. Intel объявила глобальную программу исследований, названную Tera-Scale Computing и объединяющую более 80 различных исследовательских проектов во всем мире, усилия которых распределены по трем основным направлениям: улучшение технологий проектирования и изготовления кремниевых кристаллов, оптимизация платформ и новые подходы к программированию.

Руководство корпорации отмечает, что необходимые шаги по направлению к «тера-эре» будут сделаны в течение ближайшего десятилетия. Например, большое внимание в современных исследованиях уделяется тому, как оптимизировать работу кэш-памяти, сделать ее конфигурируемой в зависимости от решаемых задач и разработать параллелизм обращения множества ядер к общей памяти. Intel также планирует интегрировать в свои кристаллы цифровой самонастраивающийся беспроводной приемопередатчик широкого диапазона, не за горами и появление прикладных устройств, основанных на принципах интегрированной кремниевой фотоники.

Эксперты подчеркивают, что высокая скорость передачи данных между вычислительными ядрами и памятью — существенная проблема. Дело в том, что память должна обладать крайне высокой пропускной способностью. При этом, если увеличивать тактовую частоту канала памяти, то достаточно быстро можно столкнуться с физическими ограничениями, которые налагают медные проводники. Один из возможных путей преодоления этих ограничений состоит в увеличении числа каналов памяти, но при этом увеличиваются размеры процессора и его себестоимость. Специалисты полагают, что придется искать более экзотические технологии передачи данных. По расчетам, выполненным инженерами Intel, для работы пета-процессоров потребуется память с пропускной способностью около 500 Гбайт/с.

Еще один важнейший аспект работы пета-компьютеров — это быстродействие системы ввода-вывода. Ученые Intel сейчас работают над тем, чтобы обеспечить скорость передачи данных до сотен гигабайт в секунду.

И все же самыми серьезными проблемами при создании пета-устройств остаются энергоснабжение и надежность. Мощность энергопотребления современного крупного центра обработки данных (ЦОД) составляет в среднем 9—10 МВт. Мощность, потребляемая компьютером со 100 тыс. ядер, может составить около 20 МВт. К этому надо прибавить мощность, необходимую для охлаждения пета-компьютеров. При нынешней стоимости электроэнергии расходы на энергоснабжение одной только пета-системы превысят 14,6 млн долл. в год. Именно поэтому вопрос эффективного использования электроэнергии крайне важен, что диктует применение энергосберегающих технологий на всех уровнях, от транзисторов до ЦОД:

Более того, исследователи прогнозируют возникновение совершенно неожиданных проблем, связанных с космическими лучами. Ведь в пета-процессорах с высокой интеграцией вычислительных элементов будут использоваться столь малые транзисторы, что они окажутся подвержены влиянию высокоэнергетических частиц, которые составляют космические лучи. Эти частицы способны вызвать случайный сбой данных при попадании в транзистор, а по мере повышения плотности размещения транзисторов на кристалле количество таких случайных сбоев будет быстро расти. Эксперты Intel считают, что если число ядер на кристалле достигнет 100 тыс., эти сбои могут стать неуправляемыми. И поскольку они будут оказывать все большее влияние на работу системы, с ними нужно будет бороться. В Intel уже начали исследования в этом направлении. Перспективные технологии обеспечения надежности включают использование контроля четности и кодов корректировки ошибок, а также применение избыточных ядер для проверки результатов вычислений основных ядер системы.


ЛЕКЦИЯ 6. ИНТЕРНЕТ КАК СРЕДСТВО МАССОВОЙ КОММУНИКАЦИИ И ОСНОВА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННОСТИ

По сравнению с другими средствами массовой коммуникации (газеты, журналы, листовки, брошюры и т.д.), информация, находящаяся в глобальной сети является более доступной (поскольку доступ к ней имеет любой человек, подключенный к сети Интернет), регулярно обновляемой, не имеет ограничений по объему, сопровождается большим количеством графической информации (фотографии, видеоролики). На страницах сайта могут быть размещены интерактивные элементы, позволяющие наладить связь между пользователем и владельцем сайта (гостевые книги, почтовые службы). Отсутствие пространственных границ делает информацию, размещенную в Интернет, доступной вне зависимости от местоположения пользователя. 

Все многообразие коммуникаций между производителями и потребителями информации в Интернете сводится к четырем большим группам: а) асинхронная, не совпадающая во времени, коммуникация по типу "один-одному" (посредством электронной почты); б) асинхронная коммуникация по типу "многие-многим" (сервисы Usenet, доски объявлений, листы рассылки); в) синхронная, совпадающая во времени, коммуникация по типу "один-одному", "один-нескольким" или "один-многим", организованная вокруг определенной темы, ролевой игры (MUD), в чатах и программах обмена сообщениями, например, в ICQ; г) асинхронная коммуникация, характеризующаяся тем, что получателю необходимо найти сайт для получения доступа к нужной информации, и построенная по принципу "многие-одному", "один-одному" или "один-многим" (Web-сайты, FTP-сайты).

Отметим, что только "обеспечивает", то есть термин "Интернет" указывает на технологию связи. А сама коммуникация проходит с помощью сервисов, которые предоставляются Интернетом. Наиболее распространенными Интернет-сервисами являются: хранение данных; передача сообщений и блоков данных; электронная и речевая почта; организация и управление диалогом партнеров; предоставление соединений; проведение сеансов; видео-сервис. Все эти сервисы предоставляются службами Интернета. Рассмотрим наиболее распространенные из них. 

Службы (сервисы) Интернета

Электронная почта (e-mail)-относится к системе индивидуальной коммуникации, позволяет создавать и пересылать электронные письма от источника одному или нескольким получателям. Это первая и наиболее распространенная служба Интернета. 

Группы новостей USENET, или телеконференции - коллективная коммуникационная система, своего рода клуб для общения людей с общими интересами. Сетевые новости - это вторая по распространенности служба. Если электронная почта передает сообщение по принципу "от одного-одному", то сетевые новости передают сообщения "от одного-многим". Посланное сообщение распространяется, многократно дублируясь, по сети, достигая за довольно короткие сроки всех участников телеконференций во всем мире. 

Списки рассылки (maillists) - служба также работает по принципу "от одного-многим" и заключается в пересылке тематических сообщений всем желающим (подписчикам) через электронную почту. Идея работы списка рассылки состоит в том, что существует некий адрес электронной почты, который на самом деле является общим адресом многих людей - подписчиков этого списка рассылки. Посылая сообщение на этот адрес, его получат все подписчики списка рассылки по данной теме.

Чаты (Internet Real Chat - беседа через интернет) - интерактивная система коллективной коммуникации, поддерживающая письменные дискуссии в режиме реального времени. Служба чата используется как в развлекательных целях, так и для проведения серьезных международных дискуссий. Данная служба похожа на Usenet, но обмен сообщениями в ней ведется без задержек.

Служба ICQ ("I seek you", в пер. с англ. - "Я тебя ищу") - служба, которая позволяет пользователям сети обмениваться сообщениями в реальном масштабе времени, а также организовывать чат, передавать файлы и многое другое.

Служба FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) - это служба, позволяющая осуществлять копирование файлов (программ, видео-, аудиофайлов, документации и т. п.) в режиме реального времени как с удаленного компьютера на свой, так и наоборот. 

WWW, служба глобального соединения ("World Wide Web") - это система организации информации в интернете, которая позволяет объединять в одном структурированном документе (Web-странице) информационные элементы различного происхождения (текст, изображение, звук), а также включать в любой документ ссылки на другие документы, расположенные в произвольных местах сети (гиперссылки). Набор Web-страниц, связанных между собой ссылками и предназначенных для достижения единой цели, называется Web-сайтом. На сегодняшний день это самый популярный и удобный сервис Интернета, позволяющий получать доступ к информации на любых серверах, подключенных к сети, во всем мире. Именно ресурсы WWW - есть тот гигантский массив данных, благодаря которому Интернет получил заслуженную популярность. Ссылки WWW указывают не только на документы, специфичные для самой WWW, но и на прочие сервисы и информационные ресурсы Интернета. Таким образом, программные средства WWW являются универсальными для различных служб сети. 

Разнообразие возможностей и функций служб Интернета показывает, что неправомерно относить Интернет в целом к средствам массовой информации. Интернет - это технология организации каналов передачи информации (с помощью различных служб), основанная на цифровом способе передачи данных между компьютерами всего мира, однако, он 
является основой информационных технологий современности, поскольку:

Не менее важен вопрос о безопасности в Интернете. Безопасность - проблема многогранная. Во-первых, безопасность можно определить как предоставление доступа к определенной информации соответствующему персоналу с одновременной блокировкой доступа для всех других. Большинство самых популярных серверов Интернета сегодня разрешают такую конфигурацию доступа на базе сферы деятельности пользователя или отдельной группы, в то время как некоторые разрешают системным администраторам выходить далеко за эти рамки, позволяя им ограничивать право доступа с помощью специального IP-адреса для индивидуальных страниц. Данная опция позволяет системным администраторам устанавливать доступ к финансовым записям или личным файлам только на индивидуальном компьютере в кабинете главного руководителя. Для всех остальных пользователей или групп доступ можно блокировать, ограждая доступ неавторизованного персонала к важным финансовым, корпоративным или личным записям.

Во-вторых, безопасность может включать шифрование, также на нескольких уровнях. Опять же популярные серверы Интернета предлагают шифрование для коммуникаций между сервером и браузером, эффективно шифруя сообщение и охраняя его от перехвата. Шифрование также может сыграть важную роль, если приложения Интернета охватывают многочисленные организации или места. Все больше организаций используют свои общественные web-серверы, таким образом, устанавливая конкретные страницы для индивидуального пользования потребителями или партнерами, с помощью контроля доступа. 

Таким образом, Интернет является мощным средством массовой коммуникации, позволяющим связывать между собой группы пользователей, вне зависимости от их географического расположения, пола, возраста, семейного положения и других значимых социальных характеристик.


ЛЕКЦИЯ 7. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

 

Телекоммуникационные технологии развиваются столь стремительно, что неизбежно вторгаются во все области электроники. Знания, которые еще вчера были уделом узких специалистов, становятся необходимыми практически любому работнику радиоэлектронной отрасли.  

XXI век можно смело назвать веком “информационного сообщества”. К важнейшим факторам, оказывающим политическое воздействие на процесс формирования информационного сообщества, следует отнести:

— разработку проектов создания глобальной международной информационной инфраструктуры Комиссиями Европейского Сообщества и Совещаниями глав правительств — членов большой семерки; 

— широкомасштабную европейскую инициативу European Information Technology Observatory (EITO), задача которой — выработка всеобъемлющего взгляда на европейский рынок информационных технологий и оказание услуг, предоставляемых данной индустрией как отдельным пользователям, так и общественным организациям; 

— общеевропейскую исследовательскую программу по созданию развитых коммуникационных технологий R&D in Advanced Communications Technologies in Europe (RACE); 

— программу создания национальной информационной инфраструктуры США National Infrastructure Plan (1993 год) и Закон США о телекоммуникациях 1996 года; 

— программу развития средств связи и информатики Министерства связи России, проекты Ростелекома (Центральный и Южный), Межведомственную программу РАН, Министерства науки, Госкомвуза и РФФИ “Создание национальной сети компьютерных телекоммуникаций для науки и высшей школы”.
Ключевую роль в формировании информационного общества играют телекоммуникационные технологии, которые определяют темпы и качество его построения. Понятие “телекоммуникационные технологии построения сетей передачи информации” возникло лишь в середине XX века, но уже к концу его мы наблюдаем проникновение этих технологий во все сферы человеческой деятельности.  Сети передачи информации совершили колоссальный скачок от телеграфных и телефонных сетей первой трети ХХ века к интегральным цифровым сетям передачи всех видов информации (речь, данные, видео). К факторам, определившим прогресс в этой сфере, в первую очередь следует отнести развитие микроэлектронной индустрии и вычислительной техники, а также последние успехи в технологии световодных систем. Телекоммуникационные технологии развивались параллельно и взаимоувязано с возможностями каналов связи (от аналоговых к высокоскоростным цифровым волоконно-оптическим линиям связи) и компьютеризацией общества.

Этапы развития телекоммуникационных технологий

В числе основных этапов развития телекоммуникационных технологий  следует назвать: 

Наиболее впечатляющие успехи телекоммуникационных технологий наблюдаются в последние 15 лет. В их числе можно назвать следующие технологии.

Х.25. Долгое время наиболее распространенным в технологии передачи данных был подход, основанный на идеологии пространственно-временной коммутации пакетов данных, определяемой рекомендациями МККТТ Х.25. Характерные черты данной технологии — организация передачи пакетов по временно создаваемым виртуальным каналам, а также достаточно сложные функции управления процессом передачи, возлагаемые на сеть с целью повышения надежности доставки информации пользователю. Подвергавшаяся многочисленным исследованиям и усовершенствованиям, она и по сей день является основой широкого класса телекоммуникационных сетей. Одна из причин этого —  удовлетворительное функционирование в условиях использования каналов связи низкого и среднего качества, а также хорошо отработанные за многие годы аппаратные и программные средства. 

Области применения:

— каналы низкого и среднего качества; 

— передача данных на низких и средних скоростях (1,2—128 Кбит/с); 

— простое пользовательское оборудование; 

— подключение абонента по коммутируемым каналам. 

Особенности:

— виртуальные соединения; 

— альтернативная маршрутизация; 

— обнаружение и исправление ошибок в каждом узле.

TCP/IP. Передача данных в соответствии с протоколами TCP/IP основана на дейтаграммном методе коммутации, характерная черта которого — независимая маршрутизация пакетов. Исторически ряд специальных сетей, например сеть Министерства обороны США ARPANET, были организованы с использованием данной технологии, которая сохраняет актуальность и успешно конкурирует с методом виртуальных соединений. Об этом свидетельствует широкое использование TCP/IP в сети Internet.

Области применения: 

— каналы низкого, среднего и высокого качества; 

— широкий диапазон скоростей передачи данных (от 1,2 Кбит/с до десятков Мбит/с.) 

— возможность использования  как в распределенных, так и в локальных сетях.

Особенности: 

— пакетная коммутация в дейтаграммном режиме; 

— высокий уровень адаптации к нарушениям в сети благодаря возможности изменения маршрута в каждом узле сети; 

— обнаружение и исправление ошибок оконечным оборудованием пользователя.

ISDN. В связи с необходимостью повышения качества и расширения спектра услуг, предоставляемых сетью, и совершенствованием средств передачи цифровой информации с середины 80-х годов во многих странах начали активно развиваться цифровые сети интегрального обслуживания (ЦСИО, ISDN), вначале узкополосные (У-ЦСИО, N-ISDN), а в последующем и широкополосные (Ш-ЦСИО, В-ISDN). Главная задача ISDN — передача разнородной информации с высокой скоростью, включая передачу речи, телетекста, видеотекста, электронной почты для В-ISDN-телеконференции, передача ТВ-изображений, распределенная обработка информации. 

Один из ключевых вопросов, относящихся к В-ISDN, — выбор метода коммутации: коммутация каналов (аналогичная традиционной системе в обычной телефонной сети, при которой для каждого соединения устанавливается физический канал между корреспондирующей парой абонентов) или некая разновидность пакетной коммутации (при которой сеть передает информацию, организованную специальным образом в пакеты данных, снабженные адресом, куда они должны быть доставлены). 

Метод пакетной коммутации — более гибкий с точки зрения скорости передачи и оптимален для передачи разнородного трафика. 

Frame Relay (FR). Данная технология является разновидностью метода пакетной коммутации. Она возникла и развивалась как технология, ориентированная на передачу данных, однако все шире используется для организации обмена речевой и даже видеоинформацией. Характерная особенность технологии — частичный отказ от сложных процедур обнаружения и исправления ошибок при передаче информации по каналам связи. Благодаря этому достигается максимально полное использование пропускной способности каналов и ресурсов коммутационного оборудования. 

Технология FR представляет собой эффективное средство соединения локальных сетей. Наряду с этим за счет мощных механизмов мультиплексирования и управления потоками она обладает высоким потенциалом интеграции и повышения производительности глобальных и национальных сетей, особенно в условиях большого разнообразия протоколов передачи  информации в сеть. 
Области применения: 

— каналы среднего и высокого качества;

— передача данных со скоростями от 56 Кбит/с до 2048 Кбит/с; 

— передача голосовой и факсимильной информации;

— интеллектуальное пользовательское оборудование; 

— LAN-to-LAN; 

— LAN-to-WAN. 


Особенности: 

— постоянные и коммутируемые виртуальные соединения; 

— стирание искаженных кадров (фреймов) на узлах сети; 

— обнаружение и исправление ошибок оконечным оборудованием пользователя.

АТМ. В последние годы национальные и международные организации по стандартам заметно продвинулись в определении основ технологии для передачи разнородной информации. Они рекомендуют для этого стандартизованную технологию передачи, мультиплексирования и коммутации, называемую методом асинхронной передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ). 
АТМ является разновидностью метода пакетной коммутации с виртуальными каналами и в определенной мере соединяет преимущества методов коммутации каналов и коммутации пакетов. В основе АТМ — единый цифровой формат и единые правила транспортировки и коммутации всех видов информации, в том числе служебной.
 

Области применения: 

—  широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания; 

— каналы высокого качества; 

— высокоскоростная передача данных, речевой и видеоинформации, включая ТВ высокой четкости; 

— хорошие линии привязки пользователей. 

Особенности: 

— постоянные и коммутируемые виртуальные соединения; 

— контроль целостности информации на узлах сети; 

— обнаружение и исправление ошибок оконечным оборудованием пользователя; 

— заказ услуг.

SMDS. Switched Multimegabit Data Service — это высокоскоростная коммутационная служба передачи данных, по своим свойствам подобная АТМ, но в отличие от нее использующая дейтаграммный метод коммутации. Текущая спецификация SMDS предлагает пользователям доступ по выделенной линии со скоростями DS1 (1,544 Мбит/с) и DS3 (45 Мбит/с).

10BASE-T. Хотя технология Ethernet появилась сравнительно давно, ее массовое применение в конце 80-х годов обеспечил стандарт 10base-T, разработанный комитетом IEEE 802.3. Стандарт, который определял построение Ethernet с использованием неэкранированной витой пары, изменил саму природу ЛВС. Он специфицировал использование топологии типа «звезда» и концентраторов, что сделало сети более надежными и удобными для управления. Как только промышленность признала 10Base-T в качестве основного способа построения сетей Ethernet, цена на концентраторы и сетевые интерфейсные карты резко упала, что обеспечило еще большее распространение данной технологии. 

Коммутация в ЛВС. Появление коммутации означало большой скачок вперед в развитии технологий ЛВС. В отличие от технологий разделяемых ЛВС, где фиксированная пропускная способность делится между подключенными к ЛВС устройствами, коммутаторы дали возможность выделять каждому порту канал с пропускной способностью до 10 Мбит/с, резко повысив пропускную способность ЛВС и улучшив ее характеристики. Дополнительный импульс развитию коммутации в ЛВС дала технология АТМ. В отличие от других технологий коммутируемых ЛВС, АТМ поддерживает передачу речи, данных и видеоинформации со скоростью сотен мегабит в секунду. Возможно, АТМ станет первой технологией, используемой и в локальных и в территориальных сетях.

Тенденции развития сетевых информационных технологий.

Телекоммуникационные сети, использующие в качестве технологии передачи данных Х.25, Frame Relay, АТМ, выработали свои способы организации инфраструктуры сети, управления, организации услуг и т.д. Однако сети, построенные на перспективных элементах, потребуют новых организационных подходов. 

Распределенные сети на оптоволокне. Использование оптоволокна в распределенных сетях обеспечивает практически неограниченные скорости передачи информации, высокое качество и надежность (рис.8). Компании — владельцы сетей дальней связи используют технологию цифровой связи на оптоволокне, чтобы перестроить свои сети снизу доверху. В этот процесс включились и российские телекоммуникационные компании. Широкое использование оптоволокна потребовало разработки новых технологий цифровой передачи сигналов. Наиболее удачной оказалась технология синхронной цифровой иерархии — SDH/SONET, которая задает стандарты для передачи данных на скоростях до 2,4 Гбит/с с возможным увеличением до 10 Гбит/с. 

Беспроводные сети мобильных абонентов. Достижения последнего десятилетия в области мобильных и беспроводных систем связи (особенно спутниковых и сотовых) обеспечивают доступ пользователей к сетям передачи данных из любой точки, в том числе и во время движения. Наибольшее распространение получили технологии, использующие стандарты МPT, NMT-450, AMPS, GSM. Технологии продолжают активно совершенствоваться. Одно из перспективных направлений — внедрение метода CDMA — кодового разделения частотного канала в соответствии с документом IS-95, позволяющего наиболее полно и рационально использовать радиочастотный спектр канала. 

Internet. Наиболее мощной и динамично развивающейся телекоммуникационной сетью современности можно смело назвать Internet (рис.9). За сравнительно короткое время эта сеть сделала скачок от ведомственной сети к всемирной информационно-телекоммуникационной инфраструктуре. К Internet уже имеют доступ 75 стран мира. Еще 77 стран через систему электронной почты получили возможность подключаться к всемирной службе новостей Usenet, которая позволяет абонентам обмениваться информацией по различным специальным техническим проблемам. 

По данным газеты Financial Times, сегодня в сети Internet работает приблизительно 40 миллионов пользователей, объединенных более чем в 40 тыс. сетей. Каждые 30 минут к ней присоединяется новая сеть и каждый месяц прибавляется 1 млн. новых пользователей. К 2000 году, по всей видимости, число пользователей Internet превысит 100 млн. человек. Сеть Internet возникла в результате проекта DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency), который был начат в середине 70-х годов и возглавлялся агентством Министерства обороны США. К реализации проекта были привлечены научные и технологические ресурсы университетских, промышленных и правительственных лабораторий США. Соразработчиками телекоммуникационной инфраструктуры стали Национальный научный фонд (NSF), Министерство энергетики, Министерство обороны, Агентство здравоохранения и гуманитарных услуг и Национальное аэрокосмическое агентство (NASA). Созданную в результате интерсеть называют Connected Internet, DARPA/NFS Internet, TCP/IP Internet или просто Internet. 

Сегодня Internet представляет собой транснациональную инфраструктуру, которая объединяет большое число различных компьютерных сетей, работающих по самым разнообразным протоколам, связывающих компьютеры различных типов и обеспечивающих передачу данных в различных физических средах: телефонных кабелях, оптоволокне, радио- и спутниковых каналах. 

Основные условия вхождения компьютера в сеть: использование протокола TCP/IP для межмашинного обмена, подключение к какой-либо глобальной сети и выполнение определенных правил адресования и маршрутизации. Internet не имеет единого административного органа, управляющего всей его инфраструктурой. Существует только ряд достаточно авторитетных образований (называемых комитетами), действующих на общественных началах и вырабатывающих общие рекомендации по принципам функционирования сети. 
Internet предоставляет следующие основные классы услуг:  электронная почта;
 
 служба новостей и конференций; доступ к файлам;  доступ к документам, подготовленным в стандарте HTML (“всемирная паутина” — World Wide Web — WWW);  удаленная обработка данных.
 

WWW. Резкое увеличение числа пользователей Internet во многом связано с созданием языка для описания гипертекстовых документов HTML (HiperText Markup Language). HTML позволяет создавать документы гибкой структуры, объединяющие текстовую, табличную, графическую и звуковую информацию. Благодаря расширенной структуре адреса в ссылках HTML появилась возможность размещать страницы одного документа на различных серверах сети Internet. Именно механизм гипертекстовых ссылок позволил объединить отдельные серверы Internet во “всемирную паутину”. 

Необходимость эффективно работать во все более расширяющемся информационном пространстве Internet потребовала создания специальных программных средств для навигации в этом своеобразном информационном океане. Такие программы, получившие название «броузеров», сегодня должны быть установлены на каждом компьютере, подключенном к “всемирной паутине” WWW. С их помощью пользователь осуществляет доступ к серверам WWW, получение на свою рабочую станцию выбранных HTML-документов, их просмотр, редактирование, печать. 

Электронная почта. Электронная почта получила широкое распространение в мире бизнеса, науки, образования в середине 80-х годов, став впоследствии одним из наиболее распространенных сетевых приложений. По данным Electronic Messaging Association, в 1994 году было 23 млн. пользователей электронной почты. Ожидается, что к 2000 году их число возрастет до 72 млн. Сегодня существует большое число различных систем электронной почты. Наиболее популярные из них представлены в таблице.

Основные направления эволюции телекоммуникационных технологий

В дальнейшем основными направлениями эволюции телекоммуникационных технологий, по-видимому, станут: 

— увеличение скорости передачи информации, обусловленное возрастающими возможностями широкополосных линий и всеобщим использованием оптических каналов; 

— интеллектуализация сетей передачи информации; 

— резкий рост числа и мобильности пользователей в связи с удешевлением и миниатюризацией оконечных средств и применением техники беспроводной связи.

Скорость. Высокие скорости необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных, а также для интеграции различных видов информации в контексте мультимедиа, взаимосвязи локальных, городских, территориальных и глобальных сетей. 

Интеллектуальность. Интеллектуальность сетей, позволяющая увеличить их гибкость, возможности и надежность, а также упростить управление глобальными сетями даже в неоднородных средах, растет благодаря использованию микроэлектроники и применению программного обеспечения в каждом сетевом устройстве. Интеллектуальная сеть предполагает большое число служб как для пользователя, так и для администратора. Один из ключевых аспектов состоит в том, что сеть предоставляет легкую и динамичную систему заказов и конфигурацию в соответствии с изменяющимися потребностями пользователя. Происходит радикальное изменение роли пользователя от пассивного потребителя до активного клиента.

Увеличение числа и мобильности пользователей. Беспроводные средства и миниатюризация способствуют широкому распространению и мобильности оконечных устройств и терминалов, а тем самым глобальной мобильности и повсеместности их использования (рис.11). Беспроводные цифровые устройства, несомненно, окажут огромное воздействие на рынок, где до сих пор доминируют аналоговые системы. Такие цифровые устройства, как СТ2 (Second Generation of Cordless Telephone), DECT (Digital European Cordless Telecommunication), GSM (Group Special Mobile), CDMA и сети персональных компьютеров PCN, —  важный шаг к сетям передачи данных и мультимедиа. Миниатюризация электронных устройств, активное проникновение стандартов PCMCIA (Personal Сomputer Memory Card Industry Association) и снижение стоимости стимулируют создание и более широкое использование портативных терминальных систем.
В области мобильной связи растущую роль играют спутниковые системы. Некоторые проекты, например Iridium компании Motorola, предусматривают создание всемирных глобальных сетей связи на их основе.

Наиболее перспективные телекоммуникационные и информационные технологии

В числе технологий, которые в ближайшее время будут оказывать решающее воздействие на развитие телекоомуникаций, следует назвать: 

— оптические технологии (SDH/SONET), обеспечивающие увеличение скорости, удешевление доступа к сети и, следовательно, увеличение числа пользователей;

— широкополосные каналы (В-ISDN), позволяющие передавать разнородную информацию по одному и тому же каналу и, как следствие, повышающие быстродействие и интеллектуальность сети; 

— единую технологию мультиплексирования и коммутации (АТМ),  повышающую интеллектуальности сети; 

— методы кодирования и сжатия информации, которым предстоит  сыграть ключевую роль в эволюции широкополосных сетей, резко (на несколько порядков) увеличив передаваемые информационные потоки и тем самым обеспечив возможность передачи с высоким качеством мультимедийной, телевизионной и другой информации (наиболее значимые стандарты сжатия: рекомендации МККТТ серии Н, стандарты JPEG и группа стандартов MPEG-1, 2, 3, 4); 

— коммутируемые ЛВС (Fast Ethernet, FDDl FDDI II, АТМ),  увеличивающие производительность и интеллектуальность сети;

— цифровую беспроводную связь, способствующую росту числа и мобильности пользователей;

— интероперабельность сетей (Java);

— универсальный доступ к услугам Internet (WWW).

Состояние развития средств связи и сетевых телекоммуникационных технологий в России.

Развитие телекоммуникационных технологий в России определяется как общемировыми тенденциями, так и тем специфическим положением, в котором эта отрасль находилась у нас долгое время. Связь и ее инфраструктура на протяжении многих лет развивались исходя из приоритетного обеспечения оборонного потенциала страны. В связи с этим связью прежде всего обеспечивались органы государственного управления, армия, органы правопорядка, предприятия военно-промышленного комплекса. Развитие сетей общего пользования стало приоритетным лишь со второй половины 80-х годов. Именно тогда начали появляться общедоступные сети передачи данных, которых сейчас на территории России несколько десятков. Ряд действующих сетей имеет общенациональный масштаб, они включены в общую телекоммуникационную структуру планеты. 
Создание современной телекоммуникационной инфраструктуры такого региона, как Россия, – сложная, масштабная задача. Ее решение осуществляется по трем направлениям:

– реализация крупномасштабных общегосударственных проектов;

– развитие и поддержка региональных телекоммуникационных проектов;

– деятельность негосударственных организаций.

Крупномасштабные общегосударственные проекты. Первичная сеть связи России развивается в рамках концепции Министерства связи РФ “Взаимоувязанная система связи” . Ее важнейшая составляющая – проекты Ростелекома по созданию цифровых каналов. Окончание строительства международных телефонных линий Россия–Дания, Россия– Япония–Южная Корея, Италия–Турция –Украина–Россия и цифровой радиорелейной линии Москва–Хабаровск позволяет уже сейчас говорить о замыкании мирового телекоммуникационного кольца через Россию. 

Деятельность негосударственных организаций и зарубежных фирм оказывает все более заметное влияние на развитие телекоммуникационного рынка России. Так, итальянская фирма Italtel активно занимается телефонизацией в Сибири, шведская Ericsson поставляет телефонные станции в отдельные регионы, германская  Siemens модернизирует телефонную сеть Калуги и т.д. В значительной мере усилиями негосударственных организаций удалось развернуть более десятка сетей передачи данных, использующих различные первичные сети (спутниковые, проводные, радиорелейные каналы связи). Наиболее крупные из них –  сети Спринт, Инфотел, Роснет, Роспак, Релком и др. Большинство из них – чисто коммерческие и предоставляют информационные услуги за достаточно высокую плату. Однако цены на услуги ряда сетей, например Релком, весьма умеренны.
Развитие систем связи и телекоммуникаций в России идет с привлечением передовых западных телекоммуникационных технологий. Наряду с этим активно используются отечественные разработки, ставшие доступными в результате конверсии и в большей степени учитывающие специфику страны.
 
Один из крупнейших проектов в области телекоммуникационных сетей – программа «Создание национальной сети компьютерных телекоммуникаций для науки и высшей школы”. В программе участвуют Государственный комитет РФ по науке и технологиям, Министерство общего и профессионального образования РФ (Минобразование России), Российская Академия наук и Российский фонд фундаментальных исследований. Программа должна быть реализована до 1998 года. Ее цель – создание базовой телекоммуникационной компьютерной аппаратно-программной среды, которая обеспечит рациональную интеграцию существующих компьютерных сетей, создаст предпосылки для массового доступа к отечественным и мировым информационным ресурсам, откроет возможности для эффективного обмена информацией и развития отечественных информационных ресурсов, в том числе  баз данных и знаний по приоритетным направлениям фундаментальной науки и высшего образования.
 

Программа объединяет более 100 проектов, общий объем ее финансирования превышает 200 млрд. руб. В результате выполнения программы, а также благодаря известной инициативе Джорджа Сороса по подключению к международной сети Internet ведущих периферийных университетов России, будут созданы телекоммуникационные сети для науки и высшей школы в ряде регионов России. В Москве в рамках этой программы создается Московская опорная сеть, состоящая из Северной и Южной частей. Уже функционирует Южная часть, объединяющая в основном научные и учебные центры. 

В 1992 году была образована Ассоциация российских научных и учебных организаций пользователей электронных сетей передачи данных RELARN (Russian Electronic Academic & Research Network), занимающаяся развитием телекоммуникаций для науки и образования. Через нее Госкомнауки РФ и другие ведомства дотируют трафик организаций–участников Ассоциации. Абонентские точки членов RELARN (порядка 1000 абонентов)в основном подключены к российской части Internet (Relcom, Demos).

Проблемы региональных телекоммуникационных проектов. Развитие рыночных отношений в России вызвало резкое увеличение потребности в надежно и своевременно доставляемой информации. Как следствие,  с 1994 года полностью определился интерес к формированию региональных информационно-телекоммункационных компьютерных систем (РИТКС).
Сегодня в различных регионах России созданы и на коммерческой основе эксплуатируются региональные сети, преимущественно использующие протокол Х.25. Как правило, в этих сетях предоставляется стандартный набор информационных услуг: электронная почта, удаленный доступ к базам данных, передача файлов, подключение к другим сетям. Абонентами такого рода сетей являются региональные банки, государственные административные службы и учреждения, отдельные коммерческие организации и пользователи. Данные сети достаточно рентабельны, срок окупаемости затрат –  полтора-два года.
 
Как показала практика, уже через полгода-год эксплуатации региональных сетей ощущается потребность в повышении качества и увеличении количества информационных услуг. Прежде всего это касается времени доступа к Internet и скорости передачи информации. Как правило, большинству абонентов необходимо работать в режиме on-line.
 

В последнее время создание РИТКС стимулирует начавшийся процесс построения информационных систем различного назначения. В этом процессе активно участвуют администрации регионов, как правило, финансирующих работы за счет местных бюджетов.

Резкое сокращение финансирования науки и предприятий ВПК, снятие барьеров на продажу западных аппаратно-программных средств привело к тому, что работы по созданию отечественных средств телекоммуникаций практически прекращены, а многие региональные и корпоративные сети создаются с использованием западных технологий. В результате в такой стратегически важной отрасли, как связь, появляется серьезная зависимость России от Запада. В институтах Отделения информатики и вычислительной техники  (ОИВТА) РАН ведутся фундаментальные и прикладные исследования в области построения крупномасштабных информационно-телекоммуникационных сетей и их элементов. Для их координации создана рабочая группа под руководством академика С.В. Емельянова. Уже выполненные работы позволяют надеяться на то, что даже в условиях сверхтрудного существования академических институтов будут получены результаты,  по определенным параметрам сравнимые с зарубежными образцами.


ЛЕКЦИЯ 8.  ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ САПР

Автоматизация инженерного труда, и в частности конструкторская и технологическая подготовка с помощью ЭВМ, является важным направлением технического прогресса на ближайшие годы.

Автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении находит все большее распространение в промышленности. На предприятиях работают не только локальные системы, решающие с помощью ЭВМ отдельные частные задачи технологического проектирования (например, расчет режимов резания), но и автоматизированные системы по решению всего комплекса задач проектирования технологических процессов изготовления деталей машин. Это вызывает необходимость ознакомления специалистов машиностроительных предприятий с методами автоматизации инженерного труда и современными системами автоматизированного проектирования (САПР).

Основными предпосылками создания и широкого внедрения САПР при технологической подготовке производства, под которой понимают совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятия к выпуску изделий заданного качества при установленных сроках, объеме и затратах, являются: непрерывное усложнение техники, повышающиеся требования к ее надежности, качеству и технико-экономическим показателям, а также необходимость сокращения сроков разработки, снижения трудоемкости и повышения эффективности труда инженеров, проектировщиков, конструкторов и технологов.

Исходными данными для технологической подготовки являются: комплект чертежей на новое изделие; программа выпуска изделия; сроки запуска изделия в производство; организационно-технические условия, учитывающие возможности приобретения комплектующих изделий, а также оборудования и оснастки на других предприятиях.
Основными направлениями технологической подготовки производства являются: обеспечение технологичности конструкции изделий; разработка технологических процессов; проектирование и изготовление средств технологического оснащения.

Разработка технологических процессов (ТП), а также проектирование и изготовление средств технологического оснащения обеспечивают технологическую готовность предприятия к выпуску изделия. Здесь решаются за дачи разработки ТП, нормирования, конструирования и изготовления оснастки, специального и вспомогательного оборудования.

На основных стадиях этой части технологической подготовки, а также освоения производства выполняются следующие работы: проектирование ТП изготовления детали; проектирование ТП сборки узлов и изделия в целом; оформление ведомостей заказов заготовок, нормализованного режущего и мерительного инструмента, оснастки и оборудования, получаемых по кооперации; разработка технических заданий на проектирование специального инструмента, приспособлений и специального оборудования; изготовление технологической оснастки; расчеты и проектирование планировки оборудования и рабочих мест, формирование производственных участков; отладка и корректировка ТП и оснастки, изготовление пробной партии изделий.

Неавтоматизированные методы разработки и проектирования ТП трудоемки, позволяют сравнивать ограниченное число вариантов. Это приводит к потере качества технологических решений и длительным срокам технологической подготовки производства. При этом лишь незначительная часть (не более 10 %) времени затрачивается на принятие решений, а остальное - на поиск нужной информации и оформление результатов. Применение ЭВМ во много раз быстрее обеспечивает хранение и поиск информации, вычисление по известным алгоритмам, формулам и математическим моделям, а так же выдачу необходимых форм технологической документации.

Применение вычислительных систем на базе ЭВМ позволяет: 

Перспективы развития САПР ТП определяются потребностями промышленного производства и состоянием развития науки и техники. Даже в экономически развитых странах из 100 % производственного времени, в течение которого изделие находится в цехе, 95 % его находится в транспортировке и ожидании и лишь 5 % непосредственно в изготовлении, а из времени изготовления только 30 % приходится непосредственно на обработку, тогда как остальное время уходит на загрузку, установку, закрепление.

Таким образом, основной задачей применения САПР можно считать повышение КПД промышленного производства, увеличение его производительности и эффективности, уменьшение стоимости создаваемых изделий.

Ведущими специалистами ряда стран на основе совместного прогноза установлено, что будущие производственные системы должны быть энерго - и ресурсосберегающими, экономичными, способными выполнять сложные задачи, рационально использовать высококвалифицированных специалистов, обеспечивать в целом высокую производительность труда, иметь большую гибкость. Для создания таких систем выделены следующие направления: искусственный интеллект; совершенствование технологии работы с базами данных; язык программирования очень высокого уровня; развитие операционных систем и сетей; развитие машинной графики; развитие системного анализа и теории проектирования.

Важными этапами в развитии САПР ТП должны стать: создание универсальной стандартной системы трех координатной машинной графики; стандартизация внутри машинных представлений и использования банка данных; создание САПР ТП; применение в ряде производств без чертежной технологии автоматизированного производства.

Широкое использование ЭВМ для обеспечения управления производственными системами создает реальную возможность организации гибкого автоматизированного производства (ГАП) с ограниченным участием чело века и даже без участия человека (безлюдные технологии).

Применение станков с ЧПУ в промышленности развивается в двух на правлениях.

Первое направление - обработка очень сложных заготовок уникальных деталей, имеющих сложную конфигурацию и различные фасонные поверхности, изготовление которых на традиционных станках невозможно или требует больших затрат времени и труда, в том числе высококвалифицированного (турбинные лопатки, роторы, фасонные поверхности гребных винтов, рабочих колес гидротурбин и т. п.).

Второе направление - обработка заготовок обычных машиностроительых деталей с точностью IT6-IT8 и шероховатостью Ra = 0,63-2,5 мкм. Экономическая целесообразность применения станков с ЧПУ в этом случае определяется конфигурацией и серийностью обрабатываемых заготовок и обычно оправдывается при партиях, содержащих 15-25 шт. и более. Однако (даже при отсутствии денежной экономии) решающее значение может иметь снижение потребности в рабочих высокой квалификации.

Опыт развития промышленности свидетельствует о целесообразности создания по возможности крупных участков станков с ЧПУ (при этом обслуживание их существенно упрощается). Экономическая эффективность их использования повышается при двух- и трехсменной работе и при устранении простоев.
Гибкость систем ЧПУ и простота их включения в общие системы управления от единой ЭВМ делают иногда целесообразным применение стан ков с ЧПУ и в условиях массового производства (в том числе и в составе автоматических линий).

Перспективы САПР

Опрошенные CNews специалисты отмечают, что тенденцией ближайшего будущего на рынке САПР-систем станет стандартизация и автоматизация комплексного проектирования. Это значит, что критически важным станет обмен информацией между разными системами, так и внутри САПР, будет осуществляться переход к более тесной интеграции различных инструментов моделирования, проектирования и инженерного анализа в единую среду работы конструкторско-технологических подразделений. Андрей Серавкин, коммерческий директор "СиСофт", предвидит в будущем появление большого числа специализированных САПР, а также усиление "виртуализации" процессов проектирования и производства. Елена Конвисар отмечает появление на рынке технологий, которые еще не столь активно используются клиентами, но за которыми будущее. Так, по ее мнению, в машиностроении грядет переход от проектирования к моделированию (например, уже появившаяся технология цифрового прототипа), в гражданском строительстве - переход от проектирования к управлению данными (например, уже появившаяся технология информационной модели здания - BIM), а в промышленном строительстве уже реализованы технологии, интегрирующие системы проектирования и системы управления данными - как проектными, так и данными по строительству и эксплуатации объектов. В компании "Аскон" будущее САПР связывают с появлением более взвешенного подхода предприятий при принятии решений о выборе того или иного поставщика САПР и PLM-решений и связывают определенные надежды со здоровым протекционизмом со стороны государства и государственных предприятий при выборе поставщиков ПО в пользу отечественных разработчиков.


ЛЕКЦИЯ 9.  

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ИЗДЕЛИЯ НА ВСЕХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА (CALS – ТЕХНОЛОГИИ)

CALS-технологии

CALS-технологии (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) — современный подход к проектированию и производству высокотехнологичной и наукоёмкой продукции, заключающийся в использовании компьютерной техники и современных информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделия, обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.

ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS.

Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объёмы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологий CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. п. Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS.

Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно-автономными проектными студиями. Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить лёгкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

Построение открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности составляет основу современных CALS-технологий. Главная проблема их построения — обеспечение единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, языки её представления должны быть стандартизированными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделённых во времени и пространстве и использующих разные CAD/CAM/CAE-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

Для обеспечения информационной интеграции CALS использует стандарты IGES и STEP в качестве форматов данных. В CALS входят также стандарты электронного обмена данными, электронной технической документации и руководства для усовершенствования процессов. В последние годы работа по созданию национальных CALS-стандартов проводится в России под эгидой ФСТЭК РФ. С этой целью создан Технический Комитет ТК431 «CALS-технологии», силами которого разработан ряд стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303, являющихся аутентичными переводами соответствующих международных стандартов (STEP).

В ряде источников данную аббревиатуру представляют, как Computer Aided Acquisition and Logistic Support. В 1985 году Министерство обороны США объявило планы создания глобальной автоматизированной системы электронного описания всех этапов проектирования, производства и эксплуатации продуктов военного назначения. За прошедшие годы CALS-технология получила широкое развитие в оборонной промышленности и военно-технической инфраструктуре Министерства обороны США. По имеющимся данным это позволило ускорить выполнение НИОКР на 30—40%, уменьшить затраты на закупку военной продукции на 30%, сократить сроки закупки ЗИП на 22%, а также в 9 раз сократить время на корректировку проектов.

Появившись в 1980-х годах, CALS-технологии изначально были востребованы только как инструмент информационной поддержки материально-технического обеспечения. В настоящее время термин CALS подразумевает информационную поддержку изделия на всех этапах жизненного цикла, начиная с маркетинговых исследований и заканчивая утилизацией.

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) - перечень этапов, через которые проходит изделие за весь период своего существования. Включает этапы маркетинговых исследований, концептуального проектирования дизайна изделия, конструкторской и технологической подготовки производства, изготовления, обслуживания, утилизации и т. п. В основном, применяется по отношению к сложной наукоемкой продукции высокотехнологичных предприятий в рамках CALS-технологий.

Реализация CALS технологий в практическом плане предполагает организацию единого информационного пространства(Интегрированной информационной среды), объединяющего автоматизированные системы, предназначенные как для эффективного решения задач инженерной деятельности, так и для планирования и управления производством и ресурсами предприятия.

В единый процесс вовлекается множество проектирующих и машиностроительных предприятий с удаленным доступом к информации, прямой передачей информации от компьютера к машиностроительному оборудованию и т.д.

Интегрированная информационная среда представляет собой совокупность распределенных баз данных, в которой действуют единые, стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации, через которую осуществляется безбумажное информационное взаимодействие между всеми участниками жизненного цикла изделия. При этом однажды созданная информация хранится в интегрированной информационной среде, не дублируется, не требует каких-либо перекодировок в процессе обмена, сохраняет актуальность и целостность.

Целостность данных поддерживается в процессе управления конфигурацией проекта, а также тем, что нельзя одновременно изменять один и тот же объект разным разработчикам, каждый из них должен работать со своей рабочей версией. Другими словами, необходимо обеспечение синхронизации изменения данных, разделяемых многими пользователями.

Для этого выполняется авторизация пользователей и разрабатываются средства ведения многих версий проекта. Во-первых, пользователи подразделяются на классы (администрация системы, руководство проектом и частями проекта, группы исполнителей-проектировщиков) и для каждого класса вводят определенные ограничения, связанные с доступом к разделяемым данным; во-вторых, доступ регламентируется по типам разделяемых данных. Данным могут присваиваться различные значения статуса, например, "правильно", "необходимо перевычисление", "утверждено в качестве окончательного решения" и т.п.

Управление данными в едином информационном пространстве на протяжении всех этапов жизненного цикла изделий возлагается на систему PLM (Product Lifecycle Management). Под PLM понимают процесс управления информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла. Отметим, что понятие PLM-система трактуется двояко: либо как интегрированная совокупность автоматизированных систем CAE/CAD/CAM/PDM и ERP/CRM/SCM, либо как совокупность только средств информационной поддержки изделия и интегрирования автоматизированных систем предприятия, что практически совпадает с определением понятия CALS.

Характерная особенность PLM - возможность поддержки взаимодействия различных автоматизированных систем многих предприятий, т.е. технологии PLM являются основой, интегрирующей информационное пространство, в котором функционируют САПР, ERP, PDM, SCM, CRM и другие автоматизированные системы многих предприятий.

В широком смысле слова CALS - это методология создания единого информационного пространства промышленной продукции, обеспечивающего взаимодействие всех промышленных автоматизированных систем (АС). В этом смысле предметом CALS являются методы и средства как взаимодействия разных АС и их подсистем, так и сами АС с учетом всех видов их обеспечения. Практически синонимом CALS в этом смысле становится термин PLM (Product Lifecycle Management), широко используемый в последнее время ведущими производителями АС.


Рис. 1. Этапы жизненного цикла промышленной продукции и используемые автоматизированные системы

При реализации целей и задач CALS необходимо соблюдать следующие основные принципы:

Рассмотрим содержание основных этапов ЖЦИ для изделий.

Маркетинговые исследования

Цель маркетинговых исследований - анализ состояния рынка, прогноз спроса на планируемые изделия и развития их технических характеристик. На данном этапе жизненного цикла находит применение система CRM (Customer Requirement Management - Управление взаимоотношениями с заказчиками).

Система CRM - это система, на вход которой поступают данные, связанные с клиентами компании, а на выходе появляется информация, влияющая на поведение компании в целом или на поведение ее отдельных элементов (вплоть до конкретного работника компании). Другими словами, CRM-система - это, прежде всего, база данных с информацией о клиентах, и набор приложений, которые позволяют, во-первых, собирать информацию о клиенте, во-вторых, ее обрабатывать, в третьих, делать определенные выводы на базе этой информации, экспортировать ее в другие приложения или просто при необходимости предоставлять эту информацию в удобном виде. Собственно, эти моменты и являются ключевыми функциями CRM-систем. Результатами работы CRM-системы могут пользоваться не только сотрудники компании, но и непосредственно сам клиент.

Примером использования может быть разработка дизайна нового продукта, который подходит по стилю к уже выполненным для данного заказчика работам, доступ к просмотру которых можно легко получить с помощью CRM-системы.

Проектирование

Одним из наиболее важных этапов является этап проектирования. Автоматизация проектирования осуществляется САПР (Системами автоматизированного проектирования). В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы функционального (системы расчетов и инженерного анализа - системы CAE (Computer Aided Engineering)), конструкторского (системы CAD (Computer Aided Design)) и технологического проектирования (системы CAM (Computer Aided Manufacturing)).

На этом этапе формируется объемная геометрическая модель машиностроительного изделия или, так называемая, мастер - модель, которая будет играть определяющую роль на многих последующих этапах. На этом этапе выполняются различные виды инженерного анализа.

Для создания объемной модели изделия конструктор может воспользоваться методами трехмерного твердотельного, поверхностного моделирования или сочетанием этих методов.

На сегодняшний день все существующее программное обеспечение автоматизированного конструирования принято классифицировать по функциональной полноте. По этому признаку оно делится условно на три уровня. К нижнему уровнюотносятся программы, реализующие 2D модели в виде чертежей и эскизов. Например, CADMECH и CADMECH LT на базе AutoCAD и AutoCAD LT2000 (Интермех) T-Flex CAD LT (Топ Системы), КОМПАС 5 (Аскон) и др.

На среднем - располагаются программные комплексы, которые позволяют создать 3-х мерную геометрическую модель сравнительно несложного изделия, в основном, методом твердотельного моделирования. К числу этих программных комплексов можно отнести: AutoCAD 2000 и AMD (AutoDesk), Solid Works (Solid Works), Solid Edge (Unigraphics Solutions) и др. Программные системы сквозного проектирования и производства расположены на верхнем уровне. Среди них можно выделить: CATIA5 (Dassault Systemes), EUCLID3 (EADS Matra Datavision), UNIGRAPHICS (Unigraphics Solutions), Pro/ENGINEER и CADDS5 (PTC).

Большинство систем инженерного анализа (CAE) используют метод конечных элементов. Для проведения какого-либо вида анализа, обычно, в CAD системе, на основе точной геометрической модели создается расчетная (упрощенная) модель путем удаления тех конструктивных элементов, которые не оказывают существенного влияния на результаты анализа. Расчетная модель передается в пакет анализа при помощи стандартных интерфейсов. Отдельные пакеты анализа имеют внутренние средства построения геометрической модели, с помощью которых может быть решена задача моделирования простых форм.

Современные программные средства CAE позволяют решать широкий спектр задач анализа линейной и нелинейной статики и динамики, устойчивости, теплопередачи, акустики, аэроупругости, оптимизации конструкции и многие другие.

Ведущими CAE-системам в настоящее время являются ABAQUS, ANSYS, COSMOS/M, LS-DYNA, MSC.ADAMS, MSC.NASTRAN.

Подготовка производства

Назначение этого этапа сводится к решению следующих основных задач:

В производстве машиностроительных и части приборостроительных изделий используются технологии, в основе которых лежат различные физические процессы: механообработка, электроэрозионная обработка, литье металлов и пластмасс и др.

При выполнении различных видов механообработки используется общая база данных для поддержки связи между геометрической моделью обрабатываемой детали и управляющей программой для станка с ЧПУ, где проходы инструмента создаются по геометрии модели. Изменение геометрии отражаются в управляющей программе. Траектория движения инструмента создается интерактивно по поверхности модели изделия, обеспечивая технологов возможностью визуально наблюдать на мониторе имитацию процесса удаления стружки, контролировать зарезы и быстро вносить изменения в циклы обработки.

Подготовка программ для всех видов оборудования с ЧПУ выполняется автоматически, когда выбран станок и указан тип процессора, установленный на данный станок (например, CNC). Основными CAM-системами являются EdgeCAM, PowerMill, Mastercam.

При выборе и установке той или иной конфигурации ПО важно учитывать специфику моделей и задач, решаемых на каждом рабочем месте. В этом случае вместо одного пакета со множеством универсальных функций должны устанавливаться строго специализированные пакеты программ, разработанные в соответствии с этими задачами.

В совокупности и при условии организации обмена информацией между системами CAD/CAM/CAE получаем систему сквозного проектирования изделия (рис. 2.)

Другим важным аспектом является организация коллективной работы специалистов в составе рабочих групп в интерактивном режиме (дизайнеров, конструкторов, прочнистов, технологов и т.д.). На смену последовательному сквозному проектированию приходит параллельное проектирование и технологическая подготовка производства, так как благодаря такой организации труда достигается наивысшая производительность и существенно сокращается время разработки изделия. В этих условиях становятся актуальными вопросы организации обмена информацией.


Рис. 2. Организация сквозного проектирования изделия на примере отливок деталей корпуса электроприбора

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения, координации работы систем CAD/CAM/CAE, управления проектными данными и проектированием разрабатываются системы, получившие название систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). Системы PDM либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

Производство

На большинстве этапов жизненного цикла, начиная с определения предприятий-поставщиков исходных материалов и компонентов и кончая реализацией продукции, требуются услуги системы управления цепочками поставок - Supply Chain Management (SCM). Цепь поставок обычно определяют как совокупность стадий увеличения добавленной стоимости продукции при ее движении от компаний-поставщиков к компаниям-потребителям. Управление цепью поставок подразумевает продвижение материального потока с минимальными издержками. При планировании производства система SCM управляет стратегией позиционирования продукции. Если время производственного цикла меньше времени ожидания заказчика на получение готовой продукции, то можно применять стратегию "изготовление на заказ". Иначе приходится использовать стратегию "изготовление на склад". При этом во время производственного цикла должно входить время на размещение и исполнение заказов на необходимые материалы и комплектующие на предприятиях-поставщиках.

В последнее время усилия многих компаний, производящих программно-аппаратные средства автоматизированных систем, направлены на создание систем электронного бизнеса (E-commerce). Задачи, решаемые системами E-commerce, сводятся не только к организации на сайтах Internet витрин товаров и услуг. Они объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях множества организаций, специализирующихся на предоставлении различных услуг и выполнении тех или иных процедур и операций по проектированию, изготовлению, поставкам заказанных изделий. Проектирование непосредственно под заказ позволяет добиться наилучших параметров создаваемой продукции, а оптимальный выбор исполнителей и цепочек поставок ведет к минимизации времени и стоимости выполнения заказа. Координация работы многих предприятий-партнеров с использованием технологий Intrenet возлагается на системы E-commerce, называемые системами управления данными в интегрированном информационном пространстве CPC (Collaborative Product Commerce).

Организованная удаленная работа различных предприятий над одним продуктом образует виртуальное предприятие.

Управление в промышленности, как и в любых сложных системах, имеет иерархическую структуру. В общей структуре управления выделяют несколько иерархических уровней, показанных на рис. 3. Автоматизация управления на различных уровнях реализуется с помощью автоматизированных систем управления (АСУ).


Рис. 3. Общая структура управления

Информационная поддержка этапа производства продукции осуществляется автоматизированными системами управления предприятием (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).

К АСУП относятся системы планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) и системы SCM. Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п. Системы MRP-2 ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством. В некоторых случаях системы SCM и MRP-2 входят как подсистемы в ERP, в последнее время их чаще рассматривают как самостоятельные системы.

Промежуточное положение между АСУП и АСУТП занимает производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution Systems), предназначенная для решения оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом.

В состав АСУТП входит система SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), выполняющая диспетчерские функции (сбор и обработка данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и помогающая разрабатывать ПО для встроенного оборудования. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ). Системы CNC называют также встроенными компьютерными системами.

Эксплуатация, обслуживание, утилизация

Понятие Единого Информационного Пространства (ЕИП) является ключевым понятием CALS-технологий. Потребитель является полноправным участником ЖЦИ на этапе эксплуатации изделия и ему необходимо обеспечить доступ в ЕИП. Однако использование для этих целей PDM-системы нецелесообразно в силу ее большой стоимости и значительного срока внедрения и освоения. Учитывая это, а также то, что потребителю необходимы только эксплуатационные данные об изделии, в качестве средства доступа к ЕИП он будет использовать не PDM-систему, а интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР, IETM (Interactive Electronic Technical Manuals)).

Интерактивные электронные технические руководства также выполняют функции обучения обслуживающего персонала. С их помощью выполняются диагностические операции, поиск отказавших компонентов, заказ дополнительных запасных деталей и некоторые другие операции на этапе эксплуатации систем.

Конкретизация задач ИЭТР представлена следующим списком:

Типичный состав ИЭТР:

Использование ИЭТР дает следующие преимущества по сравнению с традиционными бумажными техническими руководствами:

Примеры PDM

В настоящее время наиболее известными PDM-системами являются ENOVIA и SmarTeam (Dessault Systemes), Teamcenter (Unigraphics Solutions), Windchill (PTC), mySAP PLM (SAP), BaanPDM (BAAN) и российские системы Лоцман: PLM (Аскон), PDM StepSuite (НПО "Прикладная логистика"), Party Plus (Лоция Софт). Основные разработчики САПР в машиностроении считают целесообразным предлагать комплексные системы PLM, в состав которых входят как модули CAD/CAM/CAE, так и PDM.

Так, компания Dessault Systemes создает систему ENOVIA на базе приобретенной PDM ProductManager. ENOVIA предназначена для моделирования и управления данными об изделиях, процессах и ресурсах на различных этапах жизненного цикла промышленной продукции от концептуального проектирования до эксплуатационного обслуживания. Это распределенная на базе Web-технологий система управления данными, способствующая интеграции систем проектирования, производства и управления внутри предприятия и позволяющая отдельным фирмам объединяться в виртуальные предприятия. Управление проектами и изменениями данных, их распределение, интерфейс с системами ERP - далеко не полный перечень функций этой системы.

Кроме ENOVIA, Dessault Systemes развивают систему SmartTeam. В базовый комплект системы SmarTeam входят модуль создания и редактирования моделей, СУБД (Interbase или Oracle), визуализатор, модуль сопряжения с различными САПР (в список входят SolidWorks, MDT, Inventor, Microstation, Solid Edge, AutoCAD 14). Базовый комплект может расширяться путем добавления модулей документооборота, интеграции с ERP, SCM и CRM-системами, взаимодействия с партнерами через Internet и др. Состав системы SmarTeam и ее связи с CAD и ERP-системами иллюстрирует рис. 4.

Создаваемая в среде SmarTeam информационная модель объекта состоит из двух частей. Одна часть служит для описания состава изделия (в виде дерева), его структуры (в виде файлов с данными о сборках), геометрии и материала деталей. Другая часть содержит данные о технологических процессах изготовления объекта в виде дерева операций и переходов и автоматически формируемой технологической документации.


Рис. 4. Состав системы SmarTeam

Список сокращений

CALS (Continious Acquisition and Life-Cycle Support) - 1) Информационная поддержка изделия на всех этапах жизненного цикла, 2) Непрерывные поставки и поддержка жизненного цикла изделия.

PLM (Product Lifecycle Management) - управление жизненным циклом изделия.

CRM (Customer Relationships Management) - управление взаимоотношениями с заказчиками.

CAD (Computer Aided Design) - система автоматизированного проектирования.

CAM (Computer Aided Manufacturing) - система автоматизированного производства.

CAE (Computer Aided Engineering) - автоматизированное конструирование.

PDM (Product Data Management) - система управления проектными данными.

SCM (Supply Chain Management) - система управления цепочками поставок.

CPC (Collaborative Product Commerce) - система управления данными в интегрированном информационном пространстве.

ERP (Enterprise Resource Planning) - система планирования и управления ресурсами предприятия.

MRP (Manufacturing Requirement Planning) - система планирования производства и требований к материалам.

MES (Manufacturing Execution Systems) - производственная исполнительная система.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) - диспетчерское управление и сбор данных.

CNC (Computer Numerical Control) - компьютерное числовое программное управление.

IETM (Interactive Electronic Technical Manuals) - интерактивные электронные технические руководства.

ИПИ - Информационная Поддержка жизненного цикла Изделий.

ТОиР - техническое обслуживание и ремонт.

ЗИП - запчасти и принадлежности.

ЖЦИ - жизненный цикл изделия.

ЕИП - единое информационное пространство.

САПР - система автоматизированного проектирования.

БД - база данных.


ЛЕКЦИЯ 10.  

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЙ.

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) — все этапы «жизни» продукции. Включает этапы дизайнерской задумки, конструкторской и технологической подготовки производства, изготовления, обслуживания, утилизации и т. п. В основном, применяется по отношению к сложной наукоёмкой продукции высокотехнологичных предприятий в рамках CALS-технологий.

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ), как определяет его стандарт ISO 9004-1, — это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта.

Этапы жизненного цикла

Автоматизированные системы управления ЖЦИ

Автоматизация проектирования осуществляется системами автоматизированного проектирования. В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы функционального, конструкторского и технологического проектирования.

Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или системами CAE (Computer Aided Engineering).
Системы конструкторского проектирования называют системами
 CAD (Computer Aided Design).
Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах
 CAM (Computer Aided Manufacturing).

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения, координации работы систем САЕ/СAD/САМ, управления проектными данными и проектированием разрабатываются системы, получившие название систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). Системы PDM либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

На большинстве этапов жизненного цикла, начиная с определения предприятий-поставщиков исходных материалов и компонентов и кончая реализацией продукции, требуются услуги системы управления цепочками поставок - Supply Chain Management (SCM). Цепь поставок обычно определяют как совокупность стадий увеличения добавленной стоимости продукции при ее движении от компаний-поставщиков к компаниям-потребителям. Управление цепью поставок подразумевает продвижение материального потока с минимальными издержками.

Координация работы многих предприятий-партнеров с использованием технологий Intrenet возлагается на системы E-commerce, называемые системами управления данными в интегрированном информационном пространстве CPC (Collaborative Product Commerce).

Информационная поддержка этапа производства продукции осуществляется автоматизированными системами управления предприятием (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).

К АСУП относятся системы планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) и упомянутые выше системы SCM. Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п. Системы MRP-2 ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством. В некоторых случаях системы SCM и MRP-2 входят как подсистемы в ERP, в последнее время их чаще рассматривают как самостоятельные системы.

Промежуточное положение между АСУП и АСУТП занимает производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution Systems), предназначенная для решения оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом.

В состав АСУТП входит система SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), выполняющая диспетчерские функции (сбор и обработка данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и помогающая разрабатывать ПО для встроенного оборудования. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы СNC (Сomputer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ).

На этапе реализации продукции выполняются функции управления отношениями с заказчиками и покупателями, проводится анализ рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые изделия. Эти функции возложены на систему CRM.

Функции обучения обслуживающего персонала возложены на интерактивные электронные технические руководства IETM (Interactive Electronic Technical Manuals), с их помощью выполняются диагностические операции, поиск отказавших компонентов, заказ дополнительных запасных деталей и некоторые другие операции на этапе эксплуатации систем.

Управление данными в информационном пространстве, едином для различных автоматизированных систем, возлагается на систему управления жизненным циклом продукции, реализующую технологии PLM (Product Lifecycle Management). Технологии PLM объединяют методики и средства информационной поддержки изделий на протяжении всех этапов жизненного цикла изделий. Характерная особенность PLM — обеспечение взаимодействия как средств автоматизации разных производителей, так и различных автоматизированных систем многих предприятий, т.е. технологии PLM (включая технологии CPC) являются основой, интегрирующей информационное пространство, в котором функционируют САПР, ERP, PDM, SCM, CRM и другие автоматизированные системы многих предприятий.

Система автоматизированного проектирования (САПР) или CAD (англ. Computer-Aided Design) — программный пакет, предназначенный для создания чертежей, конструкторской и/или технологической документации и/или 3D моделей. Современные системы автоматизированного проектирования обычно используются совместно с системами автоматизации инженерных расчётов и анализа CAE(Computer-aided engineering). Данные из CAD-систем передаются в CAM (англ. Computer-aided manufacturing — система автоматизированной разработки программ обработки деталей для станков с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем)).

Обычно охватывает создание геометрических моделей изделия (твердотельных, трехмерных, составных), а также генерацию чертежей изделия и их сопровождение. Следует отметить, что русский термин «САПР» по отношению к промышленным системам имеет более широкое толкование, чем «CAD» — он включает в себя CAD, CAM и CAE.

CAM (англ. Computer-aided manufacturing) — подготовка технологического процесса производства изделий, ориентированная на использование ЭВМ. Под термином понимаются как сам процесс компьютеризированной подготовки производства, так и программно-вычислительные комплексы, используемые инженерами-технологами.

Русским аналогом термина является АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства. Фактически же технологическая подготовка сводится к автоматизации программирования оборудования с ЧПУ (2- осевые лазерные станки), (3- и 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ; токарные станки, обрабатывающие центры; автоматы продольного точения и токарно-фрезерной обработки; ювелирная и объемная гравировка).

Как правило, большинство программно-вычислительных комплексов совмещают в себе решение задач CAD/CAM, CAE/САМ, CAD/CAE/CAM.

CAx — термин означающий совокупность систем автоматизированного проектирования (САПР, или CAD), CAE-систем и CAM-систем. Этот термин описывает применение современных компьютерных технологий для разработки, внедрения и производства изделия или продукта. Комплексные CAx системы позволяют осуществить 2D/3D разработку продукта, произвести оценку механических и материаловедческих свойств продукта на основе компьютерной модели, подготовить необходимый набор инструкций для ЧПУ и т.п.

CAE (англ. Computer-aided engineering) — общее название для программ или программных пакетов, предназначенных для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (см.: метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.).

Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).

CAE-системы — это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчетных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов) оценить, как поведет себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

В русском языке есть термин САПР, который подразумевает CAD/CAM/CAE

ERP-система (англ. Enterprise Resource Planning System — Система планирования ресурсов предприятия) — корпоративная информационная система (КИС), предназначенная для автоматизации учёта и управления. Как правило, ERP-системы строятся по модульному принципу и в той или иной степени охватывают все ключевые процессы деятельности компании.

Функции ERP-систем

В основе ERP-систем лежит принцип создания единого хранилища данных, содержащего всю корпоративную бизнес-информацию и обеспечивающего одновременный доступ к ней любого необходимого количества сотрудников предприятия, наделённых соответствующими полномочиями. Изменение данных производится через функции (функциональные возможности) системы. ERP-система состоит из следующих элементов:

Основные функции ERP систем:

Отличие между ERP-системами и системами электронного документооборота (СЭД) в том, что, как правило, в ERP документы не «ведутся», а «проводятся» — уже после того, как они осуществят свой жизненный цикл, то есть будут созданы, обсуждены, проверены, согласованы, утверждены и т. д. А СЭД осуществляет поддержку такого жизненного цикла документов на предприятии.

[править]Особенности внедрения

Классические ERP-системы, в отличие от так называемого «коробочного» программного обеспечения, относятся к категории «тяжёлых» программных продуктов, требующих достаточно длительной настройки, для того чтобы начать ими пользоваться. Выбор ERP-системы, приобретение и внедрение, как правило, требуют тщательного планирования в рамках длительного проекта с участием партнёрской компании — поставщика или консультанта. Поскольку ERP-системы строятся по модульному принципу, заказчик часто (по крайней мере, на ранней стадии таких проектов) приобретает не полный спектр модулей, а ограниченный их комплект. В ходе внедрения проектная команда, как правило, в течение нескольких месяцев осуществляет настройку поставляемых модулей.

[править]Достоинства

Применение ERP системы позволяет использовать одну интегрированную программу вместо нескольких разрозненных. Единая система может управлять обработкой,логистикой, дистрибуцией, запасами, доставкой, выставлением счетов-фактур и бухгалтерским учётом.

Реализуемая в ERP-системах система разграничения доступа к информации предназначена (в комплексе с другими мерами информационной безопасности предприятия) для противодействия как внешним угрозам (например, промышленному шпионажу), так и внутренним (например, хищениям). Внедряемые в связке с CRM-системой и системой контроля качества, ERP-системы нацелены на максимальное удовлетворение потребностей компаний в средствах управления бизнесом.

[править]Недостатки

Основные сложности на этапе внедрения ERP- систем возникают по следующим причинам:

Множество проблем, связанных с функционированием ERP, возникают из-за недостаточного инвестирования в обучение персонала, а также в связи с недоработанностью политики занесения и поддержки актуальности данных в ERP.

Ограничения:

Существует заблуждение, что иногда ERP сложно или невозможно адаптировать под документооборот компании и её специфические бизнес-процессы. В действительности, любому внедрению ERP-системы предшествует этап описания бизнес-процессов компании. По сути ERP-система являет собой виртуальную проекцию компании…

PDM-система (англ. Product Data Management — система управления данными об изделии) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и др.). PDM-системы являются неотъемлемой частью PLM-систем.

В PDM-системах обобщены такие технологии, как:

Базовые функциональные возможности PDM-систем охватывают следующие основные направления:

С помощью PDM-систем осуществляется отслеживание больших массивов данных и инженерно-технической информации, необходимых на этапах проектирования, производства или строительства, а также поддержка эксплуатации, сопровождения и утилизации технических изделий. Такие данные, относящиеся к одному изделию и организованные PDM-системой, называются цифровым макетом. PDM-системы интегрируют информацию любых форматов и типов, предоставляя её пользователям уже в структурированном виде (при этом структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства). PDM-системы работают не только с текстовыми документами, но и с геометрическими моделями и данными, необходимыми для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и др, причём доступ к таким данным осуществляется непосредственно из PDM-системы.

С помощью PDM-систем можно создавать отчеты о конфигурации выпускаемых систем, маршрутах прохождения изделий, частях или деталях, а также составлять списки материалов. Все эти документы при необходимости могут отображаться на экране монитора производственной или конструкторской системы из одной и той же БД. Одной из целей PDM-систем и является обеспечение возможности групповой работы над проектом, то есть, просмотра в реальном времени и совместного использования фрагментов общих информационных ресурсов предприятия.

PLM (англ. Product Lifecycle Management) — технология управления жизненным циклом изделий. Организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии и связанных с ним процессах на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с проектирования и производства до снятия с эксплуатации. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и др.). Информация обобъекте, содержащаяся в PLM-cистеме является цифровым макетом этого объекта.

15.1. CALS-технологии в автоматизированном производстве

Технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которых — унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла, называют CALS-технологиями. Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документациями.

В основу CALS-технологии положен ряд стандартов (рис. 15.1).

В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Терминология в области CALS еще окончательно не установилась. Так, первоначально аббревиатура "CALS" расшифровывалась как "Computer Aided Logistics Systems", т. е. "автоматизированная логистическая поддержка". Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры "CALS" — Continuous Acquisition and Lifecycle Support. В русском языке понятию CALS соответствует ИПИ (информационная поддержка изделий) или КСПИ (Компьютерное Сопровождение и Поддержка Изделий).

Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. д.


Рис. 15.1.  Структурная схема проблематики CALS-технологий

Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS.

Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями. Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

Построение открытых распределенных автоматизированных систем осуществляется для обеспечения единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и проектирования и управления составляющих в промышленности является основой современных CALS-технологий. Главная проблема их построения — эксплуатационная документация: языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы.

Одна и та же конструкторская документация может быть применена многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

Таким образом, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Поэтому в основу CALS-технологий положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию.

Важные проблемы, требующие решения при создании комплексных САПР, — управление сложностью проектов и интеграция ПО. Эти проблемы включают вопросы декомпозиции проектов, распараллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов и др.

В настоящее время CALS-технологии рассматриваются как бизнес с высокими темпами роста и ключ к обеспечению успеха предприятий на внутреннем и внешнем рынках. Использование CALS-систем и логистики означает переход к новому образу и стилю ведения бизнеса в условиях рыночных отношений [1, 2].

CALS-технологии стали интенсивно развиваться в последнем десятилетии. В основе этого лежали следующие направления научно-технического прогресса:

Сама аббревиатура "CALS" используется около 20 лет, но смысловое содержание термина претерпело значительную эволюцию, в частности:

1985 г., Computer Aided of Logistics Support — компьютерная поддержка логических систем;

1988 г., Computer Aided Acquisition and Lifecycle — компьютерные поставки и поддержка жизненного цикла;

1993 г., Continual Aided Acquisition and Lifecycle — поддержка непрерывных поставок и жизненного цикла;

1995 г., Commerce at Light Speed — бизнес в высоком темпе;

1997 г., Continuous Acquisition and Lifecycle Support — непрерывная поддержка ЖЦ продукта.

Процесс построения четких определений в области CALS-технологий пока не завершен, терминологический словарь только готовится к выпуску, поэтому приводимые в настоящем учебнике формулировки нельзя считать стандартными.

Определение 1. CALS(Continuous Acquisition and Lifecycle Support — непрерывная поддержка жизненного цикла (ЖЦ) продукта) следует рассматривать как стратегию систематического повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятия. Это возможно за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта.

В "Проекте Руководства по применению CALS в НАТО", выпущенном 1 марта 2000 г., термин "CALS" (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) определяется как "...совместная стратегия промышленности и правительства (государства), направленная на реинжиниринг (изменение, преобразование) существующих бизнес-процессов — в единый высокоавтоматизированный и интегрированный процесс управления жизненным циклом систем военного назначения". В данном контексте жизненный цикл (ЖЦ) включает в себя разработку, производство, применение и утилизацию военной системы.

В дословном переводе аббревиатура "CALS" означает "непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла". "Непрерывность поставок" требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия "заказчика и поставщика" в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой с учетом различных модернизаций составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным.

Вторая часть определения CALS — "поддержка жизненного цикла" — заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение "стоимости владения" обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки жизненного цикла.

Целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания производства и пользования продуктом является повышение эффективности их деятельности. Это возможно за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

Стратегия CALS объединяет в себе:

Определение 2. CALS-система представляет собой программно-технический комплекс в виде интегрированных информационных технологий поддержки всех этапов ЖЦ продукции, соответствующих требованиям CALS-стандартов.

Наиболее важными аспектами при рассмотрении научно-методической, программно-технической и нормативно-правовой сторон CALS-технологий являются: функциональное моделирование бизнес-процессов, технологии анализа и реинжиниринга, виртуальные предприятия и многопрофильные коллективы, информационная инфраструктура, нормативная документация.

В большинстве предприятий существуют "островки" автоматизации в виде разобщенных автоматизированных систем САПР, АРМ, АСУТП и др. Дальнейший количественный рост "островковой" автоматизации без интеграции информационных технологий мало перспективен. Вместе с тем замена всех используемых систем требует огромных материальных затрат и обычно нецелесообразна. Разумнее создавать информационную инфраструктуру, в рамках которой существующие автоматизированные системы объединяются и интегрируются, а там, где необходимо, дополняются новыми технологиями.

Построение такой информационной инфраструктуры начинается с инвентаризации и анализа всех существующих автоматизированных систем. При этом определяется, на каком этапе развития в данный момент находятся автоматизированные системы; какие системы надо сохранить, какие заменить и какие — заново разработать.

В ходе анализа надо выяснить текущее состояние информационных технологий, используемых участниками предполагаемого виртуального предприятия, учесть планы партнеров, их подходы к стандартизации.

Обычно выявляется большой объем данных, сохраняемых на бумажных носителях, которые следует перенести в электронную среду. Надо рассмотреть целесообразность такого преобразования и определить, какая информация, в каком объеме, в какой форме и каким способом будет передаваться в рамках единого информационного пространства.

На основе анализа решаются задачи проектирования архитектуры CALS-системы. Проектирование архитектуры предполагает определение аппаратных средств, сетевой инфраструктуры, ПО, необходимого для поддержки усовершенствованных процессов и нового стиля работы.

При этом большое внимание следует уделить:

Разрабатываемая архитектура должна учитывать быстрое развитие ИТ и технологий коммуникаций, которые изменяются в высоком темпе. Примерно за четыре года меняются три поколения ПК и соответствующее ПО. Поэтому надо обеспечить максимальную гибкость архитектуры, например путем применения открытых систем и стандартных промышленных решений за счет отказа от сильно индивидуализированных специальных решений. Надо постоянно отслеживать и пересматривать архитектуру, чтобы учесть новые разработки с максимальной эффективностью.

При создании единого информационного пространства и использовании CALS-технологий большое значение приобретают вопросы защиты информации.

Большинство предприятий совместно используют информацию в электронном виде, обмениваются информацией с заказчиками, поставщиками, партнерами, которые могут быть географически рассеяны. Обмен информацией происходит на всех этапах ЖЦ продукта, в том числе при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Тесные связи с внешними участниками увеличивают риски информационной информации, а также гарантии целостности и надежности используемой информации. Особенно это актуально для виртуальных предприятий.

Часть информации представляет коммерческую, а иногда и государственную тайну и попадает под действие нормативных актов РФ о защите информации. Для многих организаций информация является важным ресурсом, при запросах требуется получать достоверные данные.

Политика информационной безопасности должна учитывать возможность случайных или преднамеренных угроз, которые могут исходить как из внутренних, так и из внешних источников. Затраты для обеспечения информационной безопасности и меры защиты должны быть соразмерны уровню существующих рисков, их возможного воздействия на бизнес.

15.2. Технологии беспроводной связи

Например, технология Bluetooth предназначена для беспроводного объединения технических средств ИТ и создания небольших локальных сетей [36]. Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, которые непосредственно встраиваются в устройство или подключаются через свободный порт (или PC-карту). Приемопередатчики работают в полосе частот ISM (полоса промышленного, научного и медицинского применения) 2402...2480 МГц. Радиосвязь обеспечивается в радиусе 10 метров, причем не обязательно в зоне прямой видимости — между соединяемыми устройствами могут быть стены и другие препятствия. В настоящее время создаются средства для увеличения дальности связи до 100 метров.

Радиоканал обеспечивает скорость передачи данных 721 Кбит/с, а также передачу трех голосовых каналов.

Для обеспечения надежной работы технология Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с расширением спектра. Передатчик переходит с одной частоты на другую по алгоритму, использующему псевдослучайные числа, скорость перестройки — 1600 скачков/с. Режим работы — дуплексный с временным разделением (TDD). Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.

Технология предусматривает простую интеграцию с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Выделяют 3 класса модулей Bluetooth по мощности излучения: класс 1-100 Вт, класс 2-2,5 Вт и класс 3-1 МВт.

В ближайшее время ожидается появление на рынке принтеров, клавиатур и других периферийных устройств, работающих по технологии Bluetooth.

Разработан стандарт Bluetooth 1.0b, который устанавливает требования к беспроводной связи на небольшие расстояния (до 10 метров с возможностью расширения до 100 м) в нелицензируемом диапазоне 2,45 ГГц. Для создания и отладки устройств Bluetooth фирма Philips выпускает специальные наборы разработчика — Blueberry Developers Kit for Bluetooth Applications. Набор включает материнскую плату, содержащую в себе коммутационные интерфейсы, элементы контроля и управления, разъемы для подключения дочерних плат и дочерние платы с установленными на них RF-модулем и Baseband-контроллером. Такой набор позволяет разработчикам, не меняя конфигурации материнской платы, испытывать различные комбинации контроллеров и трансиверов.

В комплект поставки входят компакт-диск, который помимо документации содержит два пакета программ: загрузчик Blue Star для программирования внутренней и дополнительной flash-памяти контроллера и программа тестирования Blue Bird для проверки работоспособности устройства в целом. Технология Bluetooth выгодно отличается от других технологий следующими свойствами:

Таким образом, с помощью технологий Bluetooth в единую систему можно объединить самые разные устройства на основе высокоскоростной сети обмена данными как цифровой информации, так и речи. Это происходит без вмешательства со стороны пользователя и открывает ему широкие коммуникационные возможности, позволяющие в любом месте подключиться к сети сотовой связи, подсоединив свой ноутбук к периферийным устройствам ввода/вывода, обеспечить голосовую связь или передачу данных на небольшие расстояния.

В перспективе технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей, отопительных систем и дверных замков.

Другими технологиями беспроводной связи являются IrDA (инфракрасная связь), Home RF, IEEE 802-11.

15.3. CAN-технологии

CAN-технологии (Controller Area Network), включающие широкий класс программных, схемотехнических и алгоритмических решений, представляют собой промышленные сети для применения в распределенных системах управления, которые работают в режиме "жесткого" реального времени со скоростью передачи до 1 Мбит/с. Технология CAN-bus создана фирмой Bosh в середине 1980-х годов и первоначально широко применялась в немецкоговорящих странах. В настоящее время CAN-технологии широко используются индустриально развитыми странами во всех стратегических областях промышленности, автомобильном и железнодорожном транспорте, авиации, машиностроении, энергетике, промышленной автоматизации и др.

Для применения CAN-bus выпускается достаточный набор компонентов — интеллектуальных датчиков, CAN-контроллеров, программных средств и т. д., разработаны стандарты и учебно-методическая литература. Координацию работ в мировом масштабе по разработке и внедрению CAN-технологий осуществляет коммерческая международная организация CAN in Automation (CiA) [68].

Работы по использованию и развитию CAN-технологий проводятся в следующих направлениях:

В разработке и внедрении CAN-технологий участвуют отечественные фирмы ООО "Марафон" (г. Москва), ООО "Дейтамикро" (г. Таганрог), ЗАО "ЭлеСи" (г. Томск).

15.4. STEP-технология

Структура стандартов STEP

Построение распределенных АС для проектирования и управления в промышленности, взаимодействующих друг с другом в едином информационном пространстве, составляет основу современных CALS-технологий. В CALS-технологиях необходимо обеспечить единообразное описание и интерпретацию данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документаций, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же проектная документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — в разных производственных условиях, что существенно сокращает и удешевляет общий цикл проектирования и производства, а также упрощает эксплуатацию систем.

Эти цели поставлены при разработке стандартов STEP. К их разработке под эгидой ISO привлечен ряд ведущих специалистов фирм в разных отраслях промышленности. Совокупность стандартов STEP составляет основу CALS-технологий.

Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. Стандарты STEP не отрицают, а развивают методику информационного моделирования IDEFIX и предполагают возможность совместного использования с методикой функционального проектирования IDEF0 и рядом других международных стандартов (например, со стандартами ISO P_Lib, Mandate, SGML, CDBF и др.).

В STEP используются следующие основные понятия:

STEP состоит из ряда томов. Тома имеют свои номера N и обозначаются как "часть N" или ISO 10303-N.

Приведем краткую характеристику следующих основных групп томов.

  1.  Том ISO 10303-1 — вводный стандарт, описывающий структуру всей совокупности томов и основные принципы STEP. В этом стандарте вводится ряд терминов, используемых в других стандартах, например, таких, как продукт, приложение, проектные данные, модель, модели ААМ, AIM, ARM, прикладной протокол, интегрированный ресурс, элемент функциональности.
  2.  Части 11…14 — методы описания.
  3.  Части 21...29 — методы реализации.
  4.  Части 31...39 — основы тестирования моделей.
  5.  Части 41...50 — интегрированные основные ресурсы.
  6.  Части 101...108 — интегрированные прикладные ресурсы.
  7.  Части 201...236 — прикладные протоколы.
  8.  Части 301...336 — абстрактные тестовые наборы.
  9.  Части 501...520 — прикладные компоненты.

Методы описания

Первая группа документов — тома 11...19 — отведена для описания диалектов языка Express.

N = 11: Express language reference manual. Основное руководство по языку Express. Содержит также описания расширения Express-C базового языка и графического варианта языка Express-G. Базовый язык приспособлен для описания и передачи статических свойств объектов приложений, т. е. параметров структур и ограничений. Поэтому Express-C включает средства описания динамических свойств объектов (добавлено описание событий и транзакций). Для наглядности представления языковых конструкций в Express предусмотрены графические средства изображения моделей, в качестве которых может использоваться специальное дополнение Express-G (графический Express). Express-G — язык диаграмм, напоминающий язык описания информационных моделей в методике IDEF1X.

N = 12: Express-I Language Reference Manual Express-I — расширение языка, предназначенное для описания отдельных экземпляров данных.

N = 14: Express-X — дополнение к языку Express, применяемое для описания соответствий между типами данных в заданной исходной Express-схеме и создаваемыми новыми ее вариантами (views); в качестве views могут использоваться форматы с описанием того же множества сущностей, что и в Express-схеме, формат IGES.

Предлагаются и другие дополнения, относящиеся к следующим диалектам языка Express:

Для возможности применения языка Express должны быть разработаны методы реализации (Implementation Methods), которые могут быть представлены средствами файлового взаимодействия, построением БД, интерфейсом с языками программирования.

Методы реализации

Вторую группу (тома 21...29) называют "Методы реализации", она служит для межпрограммного информационного обмена между прикладными системами в STEP-среде. Предусмотрены межпрограммные связи с помощью обменного файла и доступа к БД.

N=21: Clear Text Encoding of the Exchange Structure (physical transfer file format); стандарт устанавливает правила оформления обменного файла. Обменный файл играет в STEP важную роль; если собственно на языке Express определены сущности, то именно в обменном файле задаются экземпляры этих сущностей. Прикладные программы для связи со STEP-средой должны читать и генерировать обменные файлы.

N=22: Standard Data Access Interface Specification; содержит описание SDA1 — системы представления данных и доступа к данным конкретных прикладных систем (чаще всего это CAD/CAM-системы). Данные, участвующие в межпрограммных связях, образуют SDAI-модели. В SDAI-системе предусматривается компилятор кода, конвертирующего эти модели в SDAI-базу данных, а также функции обращения к этой базе данных. Возможно непосредственное построение прикладных систем, работающих с SDAI-базой данных.

Тома 23...29 устанавливают правила обращения к данным в SDAI-базе данных на языках программирования C++, С, Java, на языке передачи данных в системах распределенных вычислений IDL, языке разметки XML.


ЛЕКЦИЯ 11.  

 Обзор технологий быстрого прототипирования

Бы́строе прототипи́рование, сокр. БП  технология быстрого «макетирования», быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации. Прототип позже уточняется для получения конечного продукта.

Термин используется как в информационных технологиях для обозначения процесса быстрой разработки программного обеспечения (см. RAD), так и в технологиях, связанных с изготовлением физических прототипов деталей.

Рис. 1. Пластиковые стереолитографические модели рабочих колес для водометных движителей, изготовленные по ним восковые модели («восковки») и готовая металлическая отливка

Быстрое прототипирование в изготовлении физических объектов

Примерно с начала 1980-х начали интенсивно развиваться технологии формирования трёхмерных объектов не путём удаления материала (точениефрезерование,электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковкаштамповкапрессовка), а путём постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трёхмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии известны под разными терминами, например, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), однако наибольшее

Все названные технологии предполагают наличие трёхмерной компьютерной модели детали. Большинство известных САПР обеспечивают экспорт моделей в стандартном для быстрого прототипирования формате STL.

Некоторые из установок БП называют трёхмерными принтерами.

Преимущества технологий БП

Недостатки технологий БП

С течением времени недостатки постепенно устраняются - снижаются цены, увеличивается выбор технологий и материалов.

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

Прототипирование является обязательным этапом в процессе разработки любого нового изделия. Создание качественного прототипа, максимально похожего на будущее изделие - весьма непростая задача. Приходится решать проблему точного повторения геометрической формы, собираемости, внешнего вида и поиска материалов, максимально похожих на заданные. В последнее время популярными стали технологии быстрого прототипирования (RP - rapid prototyping), то есть послойного синтеза макета по компьютерной модели изделия, Современный прототип позволяет не только оценить внешний вид детали, но и проверить элементы конструкции, провести необходимые испытания, изготовить мастер-модель для последующего литья. Использование RP-технологий в прототипировании способно на 50 - 80% сократить сроки подготовки производства, практически полностью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную, или на станках с ЧПУ.

Построение прототипа обычно происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами. Эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого слоя равна разрешающей способности оборудования по z-координате. Обычно при разбиении дается припуск на механическую обработку. Построение детали происходит послойно тех пор, пока не будет получен физический прототип.

Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова: на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое может оказаться, что отдельные элементы "повисают" в воздухе, поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать такой проблемы, 3D модель предварительно подготавливается, в ней строится система поддержек на каждый такой элемент.

Основным различием между технологиями прототипирования является прототипирующий материал, а также способ его нанесения. В мире существует всего несколько компаний, изготавливающих RP-установки, они постоянно совершенствуют технологию и разрабатывают новые материалы. Остановимся на самых основных технологиях, рассмотрим их характеристики, достоинства и недостатки.

Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus)

Стереолитография является самым первым и наиболее распространенным методом прототипирования, во многом благодаря достаточно низкой стоимости прототипа. Принцип метода состоит в послойном отверждении жидкого фотополимера лазерным лучом, направляемым сканирующей системой. Элеватор находится в емкости с жидкой фотополимерной композицией, и после отверждения очередного слоя смещается вниз с шагом 0,025-0,3 мм. Используется достаточно твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. Качество поверхностей без доводки хорошее.

Производители оборудования:

Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов)

В SLS технологии в качестве рабочего материала используются порошковый пластик, металл или керамика, близкие по свойствам к конструкционным маркам. На поверхность наносится тонкий слой порошка, который затем спекается лазерным лучом, формируя твердую массу, соответствующую сечению 3D-модели и определяющую геометрию детали. SLS это единственная технология, которая может быть применена для изготовления металлических деталей и формообразующих для пластмассового и металлического литья. Прототипы из пластмасс обладают хорошими механическими свойствами, могут быть использованы для создания полнофункциональных изделий.

Производители оборудования:

Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити)

Используются нити из АБС, поликарбоната или воска. Свойства используемых пластиков очень близки к конструкционным маркам. Термопластичный моделирующий материал подается через выдавливающую головку с контролируемой температурой, нагреваясь там до полужидкого состояния. Головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание с высочайшей точностью. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются друг с другом. Технология применяется для получения единичных образцов изделий, по своим функциональным возможностям приближенных к серийным, а также для производства выплавляемых моделей для литья металлов.

Производители оборудования:

Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling)

Различные запатентованные разновидности этой технологии называются:

Все технологии имеют свои особенности, но функционируют по одному принципу. Головка, содержащая от двух до 96 сопел наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После нанесения слоя, могут проводится его фотополимеризация и механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в качестве модельного - широкий спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным термопластам. Данный метод позволяет получать прозрачные и окрашенные прототипы с различными мехпническими свойствами - от мягких, резиноподобных до твердых, похожих на пластики.

Производители оборудования:

Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives)

Используются крахмально-целлюлозный порошок и жидкий клей на водяной основе, который поступает из струйной головки и связывает частицы порошка, формируя контур модели. По окончании построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели, имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их.

Производители оборудования:

Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов).

Слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумажного листа. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После извлечения детали мелко порезанные излишки материала легко удаляются. Структура полученного прототипа похожа на древесную, боится влаги.

Производители оборудования:

SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску

Для создания слоя, на поверхность распыляется тонкий слой фоточуствительного пластика. Затем этот слой облучается ультрафиолетом через фотомаску с изображением очередного сечения. Неэкспонированный материал удаляется вакуумом, оставляя затвержденный материал, который повторно облучается жестким ультрафиолетом. Свободные области заполняются воском, который обеспечивает поддержку для следующих слоев. Перед нанесением следующего слоя поверхность механически выравнивается.

Производители оборудования:

Точность изготовления прототипа в разных методах и на различных установках находится в диапазоне от 0,05 до 0,2 мм по каждой координате. При уменьшении толщины слоя точность растет, но падает скорость изготовления, и как следствие - повышается его стоимость. Стоимость прототипа зависит, в первую очередь от его объема. По состоянию на 2006 год цена одного кубического сантиметра модели составляла от 1 до 5 долларов США, в зависимости от используемой технологии.


ЛЕКЦИЯ 12.  НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанотехнологию довольно трудно определить точно, поскольку она возникла постепенно, в течение десятков лет, в результате развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии 20-го века. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология уже реально существует, и в этой области ученые многих стран сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате «освоения» и практического применения многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время и только сейчас ставших основой новых технологий. Благодаря достижениям нанотехнологии, многие упоминавшиеся выше фантазии и мечты человечества (победа над болезнями, космические путешествия, продление жизни) могут стать реальностью в близком будущем.

Первой страной, оценившей возможности новой науки и выработавшей долгосрочную стратегию развития в этом направлении, стали Соединенные Штаты Америки, где в феврале 2000 года было объявлено о Национальной Нанотехнологической Инициативе, представляющей собой обширную научно-техническую программу. Уже в следующем, 2000 году правительство США запланировало выделить на нанотехнологические исследования около 500 миллионов долларов (что означает прирост ассигнований в 1,8 раза) и начало осуществлять целый ряд важных практических мероприятий, направленных на всемерное развитие нанотехнологии. О масштабах и значении новых технологий говорит следующий экономический прогноз — по расчетам экспертов объем рынка товаров и услуг, связанных с нанотехнологией, только внутри Японии составит 270 миллиардов долларов.

Можно не сомневаться, что в XXI веке нанотехнология будет оказывать все более возрастающее воздействие на экономическую и социальную жизнь всего человечества, что требует от Японии принятия энергичных мер для развития исследований в этой области. Развитие нанотехнологии не сводится лишь к получению конкретных научных результатов или внедрению новых технологий. На самом деле, оно включает в себя решение многих побочных экономических и социальных задач, т. е. требует целостного, системного подхода. В последнее время в Японии появляется все больше ценных книг и публикаций, посвященных нанотехнологиям, однако можно с огорчением констатировать, что почти все они относятся к чисто научной и технической стороне развития нанотехнологии. Экономические и социальные проблемы использования новых технологий почти не рассматриваются, и Япония все еще не имеет стратегии развития в этой области на государственном уровне.

В последнее время термин «нанотехнология» (сокращенно нано-тэк) стал очень популярным. Легко заметить, что название новой науки возникло просто в результате добавления к весьма общему понятию «технология» приставки «нано», означающей изменение масштаба в 109 (миллиард) раз, т. е. 1 нанометр = 1 нм = 109 м, что составляет одну миллионную привычного нам миллиметра (для наглядности можно указать, что 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса). Разумеется, человеческое воображение и используемые нами слова, образы или термины почти неспособны сколько-нибудь адекватно описывать «мир» со столь крошечными объектами.

В табл. 1 приведены размеры некоторых известных естественных и искусственных созданий природы в диапазоне размеров от 10 метров до 1 ангстрема. Напомним, что 1 ангстрем (1 А= 10|0 м) в 10 раз меньше нанометра и соответствует диаметру самого маленького из атомов (атома водорода). К нанотехнологии принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нано области соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. С другой стороны, интересно, что многие вирусы имеют размер 10 нм, а 1 нм почти точно соответствует характерному размеру белковых молекул (в частности, радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм).

Что такое нанотехнология?

Нанотехнологию можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами (т. е. методик регулирования структуры и состава вещества) в масштабах I — 100 нм. Использование характерных особенностей веществ на расстояниях порядка нанометров создает дополнительные, совершенно новые возможности для создания технологических приемов, связанных с электроникой, материаловедением, химией, механикой и многими другими областями науки. Получение новых материалов и развитие новых методик обещает, без преувеличения, произвести настоящую научно-техническую революцию в информационных технологиях, производстве конструкционных материалов, изготовлении фармацевтических препаратов конструировании сверхточных устройств и т. д.

Классическим примером достижений нанотехнологий стала разработка сканирующих туннельных микроскопов (СТМ). Первый такой микроскоп был создан в лаборатории фирмы ИБМ Бихи и Роллером для исследования особенностей и неоднородностей поверхности монокристаллов кремния. О работе СТМ подробнее рассказано в разделе 3.5, однако читатель может получить общее представление о принципе его действия из рис. 1. Экспериментатор подводит тончайший золотой щуп (зонд, пробник) на расстояние около 1 микрона (10* м) к поверхности исследуемого образца, в результате чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток. обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом (см. раздел 3.1), величина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой поверхности (например, из-за наличия на поверхности впадин или выступов). Замеряя величину туннельного тока или, наоборот, сохраняя ее постоянной (за счет регулирования потенциала зонда), экспериментатор может «сканировать» поверхность и получать ее прямое «изображение», подобно тому, как электронный луч создает изображение, сканируя поверхность экрана обычного телевизора. Этот метод позволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты (например, можно проверять теоретические расчеты, относящиеся к изменению поверхности в определенных условиях и т. п.).

Работая со сканирующим микроскопом описываемого типа, экспериментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития, а именно — стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне. Прикладывая к зонду СТМ соответствующее напряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атомного «резца» или гравировального инструмента. Впервые это удалось сделать сотрудникам Армаденской лаборатории ИБМ под руководством Д. Эйглера, которые сумели выложить на поверхности монокристалла никеля название своей фирмы (IBM) из 35 атомов ксенона, как показано на фотографии внизу рис. 1. Это стало своеобразным рекордом в методах миниатюризации записи «текста». Позднее, в 1991 году из этого выросла методика перемещения атомов ксенона вверх-вниз (относительно поверхности монокристалла), названная атомным переключением (atomic switch). В целом, описанная техника создает много возможностей как для манипуляций на уровне отдельных атомов, так и аля изучения их структур и поведения.

Нанотехнология возникла из-за революционных изменений в информатике!

В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались (интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы, ... и т.д.). С другой стороны, одновременно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств. В частности, плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках в настоящее время уже достигает 1 гигабит/кв. дюйм. Без преувеличения можно сказать, что в полупроводниковых технологиях (иногда их называют просто кремниевыми) вот уже более полувека происходит непрерывная революция.

Однако, как отмечалось выше, по мере приближения размеров полупроводниковых устройств к 1 микрону (1 мкм = 10" м), в них начинают проявляться квантово-механические свойства вещества, т. е. необычные физические явления (типа описанного в разделе 3.1 туннельного эффекта). Можно с уверенностью предположить, что при сохранении нынешних темпов развития вся кремниевая технология (и связанная с ней промышленность полупроводников) примерно через 5-10 лет столкнется с проблемами принципиального характера, так как быстродействие и степень интеграции в ЭВМ достигнут некоторых «принципиальных» границ, определяемых известными нам законами физики. Таким образом, дальнейший прогресс науки и техники требует от исследователей существенного «прорыва» к новым принципам работы и новым технологическим приемам.

Такой революционный прорыв может быть осуществлен только за счет использования нанотехнологии. которая позволяет создавать целый ряд принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств на их основе. Расчеты показывают, что использование нанотехнологии может повысить основные характеристики полупроводниковых вычислительных и запоминающих устройств натри порядка, т. е. в тысячу раз! Это станет, безусловно, настоящей революцией в области информационных технологий и окажет огромное воздействие на экономическое и социальное развитие общества в XXI веке.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен рил исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика. механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки — нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.

Что сулит нам развитие нанотехнологии?

Сверхмощные и сверхминиатюрные компьютеры

В близком будущем можно ожидать значительного уменьшения размеров ЭВМ (одновременно с ростом их рабочих характеристик), что позволит создать сверхмалые или даже микроскопические вычислительные системы. Нанотехнологии позволяют производить транзисторы, электрический ток в которых соответствует движению очень небольшого числа электронов (от десятков до нескольких тысяч), в результате чего переключения типа включено-выключено (on-off) станут возможными за счет поведения отдельных электронов. Практически это будет означать возможность уменьшения размеров электрических цепей (и больших вычислительных систем) до предельно малых размеров, а также использование в их работе новых принципов (физических закономерностей микромира, т. е. квантовой механики).

Сверхчувствительные и высокостабш1ьные биодатчики

Действие используемых в настоящее время биологических датчиков основано, главным образом, на разнообразных специфических реакциях с участием кислорода, в результате чего происходят химические реакции, регистрируемые соответствующими электрическими сигналами. Однако следует вспомнить, что биологические молекулы вовсе не «тратят» кислород на регистрацию воспринимаемых изменений или явлений. Нанотехнологии позволят нам создать «искусственные» молекулы, реакции которых не будут связаны с окислительными процессами.

Высокоэффективные топливные элементы

Известно, что выхлопные газы автомобилей (углекислый газ и т. д.) относятся к важнейшим факторам возникновения парникового эффекта и загрязнения окружающей среды, вследствие чего во всем мире ведутся активные поиски новых источников энергии, способных заменить бензин в двигателях внутреннего сгорания.

PAGE   \* MERGEFORMAT 1




Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. Етика: Курс лекцій

2. МІЖНАРОДНА ТОРГІВЛЯ: КУРС ЛЕКЦІЙ

3. ОСНОВИ КОНСТИТУЦІЙНОГО ПРАВА КУРС (КОНСПЕКТ) ЛЕКЦІЙ

4. Сучасні технології викладання російської мови

5. Основи технології підвищення зносостійкості та відновлення деталей

6. Інформаційно-комунікаційні технології. Створення середовища комунікації

7. Особливості технології виробництва та формування якості напоїв за матеріалами: підприємства ТОВ «Напої Плюс»

8. АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЇ РІВНЯ ВИРОБНИЦТВА ГОРОХУ ТА ПОШУКИ РЕЗЕРВІВ ЙОГО РАЦІОНАЛІЗАЦІЇ В ВИРОЩУВАННЯ, ОЦІНКА ДОСЯГНУТОГО «Томенко»

9. КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ МЕНЕДЖМЕНТ

10. Політологія Конспекти лекцій