От персональных ЭВМ к персонифицированным АСУ ТП

Всеобщая доступность персональных ЭВМ и их широкое распространение для автоматизации вычислительных работ стали возможными благодаря автоматизированному производству многофункциональной интегральной цифровой элементной базы, в первую очередь — больших интегральных схем (БИС) программируемых микропроцессоров и их комплектов.

Интеграция в одном кристалле БИС основных функций ЭВМ, прежде выполнявшихся конструктивно выделенными блоками, позволила перевести их производство на индустриальную основу. Создание микропроцессора можно сравнить с изобретением печатного станка, позволившего начать массовое тиражирование книг, что привело человечество к всеобщей грамотности. Появление микропроцессора привело к массовому производству персональных компьютеров, что обеспечило широкое распространение компьютерной грамотности.

Однако автоматизация вычислений является лишь частью более общей проблемы — автоматизации управления различными процессами, требующего обработки больших массивов измерительной информации. О серьезном отставании в этой области говорит в частности тот факт, что сегодня в ЭВМ автоматически непосредственно вводится, по оценке, менее 10% всей информации, получаемой в мире для контроля производственных процессов и управления ими. Причина — отсутствие соответствующих управляющих вычислительных систем (автоматизированных систем управления технологическими процессами — АСУ ТП), столь же тиражируемых, а значит, доступных для приобретения и использования, как и персональные ЭВМ.

Перечень их функций существенно шире, чем у обычных вычислительных машин. Причем далеко не все из этих функций могут быть реализованы программными средствами и требуют соответствующую специализированную технику. Ведь цифровая ЭВМ оперирует числами, представленными электрическими импульсами, кодом, а окружающая нас среда, объекты контроля и управления выдают информацию о себе в непрерывном (аналоговом) виде. Она преобразуется измерительными датчиками в эквивалентные, обычно электрические, но также зачастую непрерывные сигналы. Если такие сигналы необходимо обработать, их предварительно преобразуют в соответствующие коды, которые вводят в ЭВМ.

Но это не все. Как известно, сложные объекты управления имеют множество источников измерительной информации, размещенных в различных точках. Если объект выдает сотни, тысячи параметров, требующих одновременной и быстрой обработки, то производительности одной ЭВМ может не хватить. Поэтому системы управления такими объектами оказываются распределены в пространстве, и информация в них обрабатывается как минимум в два этапа.

Вначале микропроцессорами по простейшим алгоритмам предварительно и быстро в местах получения обрабатываются данные контроля и измерений о текущем состоянии объекта. После чего процеженная и сжатая таким образом информация поступает для окончательной обработки по более сложным алгоритмам в центральную ЭВМ системы, вырабатывающую по результатам предварительной (первичной) обработки данных соответствующие сигналы управления. Такое двухэтапное распределение вычислений существенно увеличивает общесистемное быстродействие.

Сегодня для первичной обработки измерительной информации обычно используются цифровые программно-управляемые микропроцессоры. Однако такой микропроцессор в подобных случаях, будучи предназначен для решения различных задач, то есть в силу своей универсальности, оказывается сложным, избыточным, и потому относительно дорогим, устройством. Ведь подсоединенный к ограниченному числу источников измерительной информации (датчикам) микропроцессор постоянно решает одну и ту же или несколько неизменных задач. Например, вычисляет мощность или энергию электрического тока. А на некоторых объектах, к примеру, в бортовых системах самолетов и ракет, применение множества программируемых микропроцессоров в точках контроля и измерений ограничено по условиям энергопотребления, массы и размеров оборудования.

Очевидно, и это доказывают анализ и многолетняя практика, когда постоянно решается одна и та же задача, намного эффективнее использовать специализированный, жестко запрограммированный, а не универсальный перепрограммируемый процессор. Специализированный процессор дешевле, так как намного проще и потому надежнее и меньше потребляет электрической мощности. Что же касается первичной обработки измерительной информации, то задачи эти типовые. И еще в начале 70-х годов прошлого столетия автором этих строк предлагалось разработать и начать массовое производство соответствующих спецпроцессоров, в которых жестко «прошиты» алгоритмы решения типовых задач контроля и измерений.

По этому предложению в 1973 году Военно-промышленная комиссия даже открыла НИОКР на их разработку. Но тогдашнее руководство подмосковной «силиконовой долины» работу заблокировало — она не соответствовала принятой стратегии развития советской микроэлектроники, основанной на копировании зарубежных образцов. Такая стратегия во многом предопределила постоянное и существенное отставание отрасли от мирового уровня, а затем и ее развал с началом экономических «реформ».

Так как исходная информация от измерительных датчиков поступает в аналоговом виде, то предлагалось разработать и начать производство так называемых аналого-цифровых и аналоговых микропроцессоров, решающих определенные типовые задачи контроля, измерения и регулирования, и позволяющих перевести на индустриальную основу изготовление различных электронных систем управления. Ниша эта на мировом рынке до сих пор не занята. Причем упомянутые специализированные микропроцессоры при использовании для их производства одних и тех же, что и для цифровых процессоров, интегральных технологий, и решении одинаковых задач, оказываются как минимум на порядок более быстродействующими, чем цифровые.

Дело в том, что в цифровых процессорах арифметические операции над числами выполняются «столбиком», с кодами, цифра за цифрой. А на это требуется количество поразрядных операций (тактов) и соответственно времени для их выполнения пропорционально разрядности и количеству суммируемых или перемножаемых чисел. Поэтому для увеличения быстродействия цифровых процессоров необходимо уменьшать топологические размеры элементов соответствующих микросхем и расширять их функциональные возможности за счет более плотной «упаковки» в кристалле схемы большего числа элементов. Так как при этом сокращается длина путей пробега сигналов, то растет скорость вычислений. Но каждый новый этап увеличения быстродействия микросхем ведет к дальнейшему их удорожанию.

Аналого-цифровые и аналоговые микропроцессоры обрабатывают непосредственно сами аналоговые сигналы, которые обычно в виде тока или напряжения выдают различные измерительные датчики, во множестве устанавливаемые на объектах управления. Два числа в виде аналоговых сигналов суммируются или умножаются всего за один такт без всяких там «столбиков». Кроме того, при решении одной и той же задачи аналого-цифровые процессоры в сравнении с цифровыми требуют существенно меньшего количества схемных элементов. Поэтому добиться для них идентичного быстродействия с цифровыми микросхемами можно, используя (утилизируя) старые одно — и двухмикронные технологии, что обойдется намного дешевле.

Таким образом, при решении относительно простых задач специализированные аналого-цифровые процессоры (они выдают информацию в виде кода) оказываются более эффективными по сравнению с цифровыми процессорами по всем основным показателям: быстродействию, энергопотреблению, габаритам, массе и стоимости. Поэтому освоение производства унифицированных рядов спецпроцессоров аналоговых сигналов позволит поставить «на поток» производство более дешевых и эффективных управляющих систем различного назначения. Причем наличие стандартных вычислительных «кубиков» существенно упростит и опять же удешевит их проектирование. Оно приблизится по своим принципам к структурному программированию обычных ЭВМ на основе типовых программных модулей ограниченной номенклатуры. Образно это напоминает проектирование и строительство зданий и сооружений по типовым каталогам типовых конструктивных и строительных элементов.

Подобные качественные изменения производства и рыночной конъюнктуры в прошлом уже происходили — сначала с появлением стандартных средств сопряжения элементов автоматических систем, а затем микропроцессоров. Однако они в силу своей функциональной ограниченности не решили проблем индустриализации и массового производства самих управляющих вычислительных систем.

Основы теории и схемотехники спецпроцессоров аналоговых сигналов изложены в моей книге «Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов» (изд-во «Мир», 1999 г., 559 с.). Каждый такой процессор для простоты должен решать какую-нибудь одну задачу. Чтобы их целесообразно было производить в массовом порядке (снижаются удельные затраты), в книге выделены и проанализированы типовые алгоритмы измерений и решения задач предварительной обработки данных, характерные для многих процессов и объектов в промышленности, на транспорте, в связи, военной области, различных радиотехнических системах и др.

Таких типовых, повсеместно решаемых и сравнительно несложных задач, набирается несколько десятков. А более сложные задачи, не попавшие в разряд типовых, можно решать цифровыми микропроцессорами — перепрограммируемыми и заказными специализированными. Причем последние сегодня производятся и в виде полуфабрикатов, базовых матричных кристаллов, которые пользователь коммутацией внешних выводов жестко программирует под требуемую задачу. Так что речь не идет о безусловном изгнании цифровых процессоров из АСУ ТП. Просто каждому из видов вычислителей уготовано в них свое место.

Выполнение сетью параллельно работающих аналого-цифровых процессоров различных алгоритмов измерений и предварительной обработки данных позволит существенно снизить требования к быстродействию центральной ЭВМ конкретной управляющей системы при существенном росте её производительности. Причем такая производительность недостижима сегодня при решении целого ряда задач управления сложными динамическими и пространственно разбросанными объектами программными средствами отдельной универсальной ЭВМ.

Следует заметить, что замена цифровых процессоров аналого-цифровыми специализированными особенно важна для систем военного назначения и бортовых. Помимо существенного увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и массы, а также стоимости благодаря использованию старых технологий для их производства значительно возрастет и их надежность.

Во-первых, это произойдет вследствие меньшего количества элементов в спецпроцессорах. А во-вторых, и это самое главное, существенно уменьшатся возможности для несанкционированного вмешательства в их работу, так как они не перепрограммируются извне. Сейчас, к большому сожалению, из-за отсутствия отечественных аналогов в военной технике нередко используются иностранные микросхемы, которые в час Х могут оказаться троянским конем со скрытыми в нем «взрывчаткой» и «вирусами».

Создание интегральных технологий потребовало интеграции всех этапов производства микроэлектронной аппаратуры в единый процесс. На Западе организационно это вылилось в образование крупных вертикально интегрированных компаний, производящих определенную функционально и потребительски завершенную продукцию: системы управления, телевизоры, радиоприемники, измерительные приборы и системы и пр. Вместе с тем такие фирмы продают часть своих микросхем другим потребителям.

У нас же, по сути, ничего не изменилось по сию пору. Производство микросхем в советские времена было сосредоточено в министерстве электронной промышленности, и они в основном предназначались для вычислительной техники. И хотя большие интегральные схемы представляли собой сложные функциональные устройства, их по-прежнему именовали и именуют элементной базой. Но ее номенклатура была оторвана от потребности радиопромышленности, приборостроения, производства средств связи, точного машиностроения и станкостроения, что и явилось причиной неконкурентности этих отраслей и такого же развала, как и самой электронной отрасли.

К сожалению, прежний местечковый отраслевой принцип хозяйствования и управления не изжит у нас до сих пор. Он проглядывался и в принимавшихся, но не выполненных программах развития электронной техники. В последней из них также говорилось не о производстве телевизоров, радиоприемников, систем управления и др., а об «обеспечении изделиями электронной техники производства средств связи, телевидения и радиовещания, систем управления…»

И это мы тоже проходили: скопированные зарубежные микросхемы у нас были, а те же отечественные телевизоры на старой элементной базе с российского внутреннего рынка были вытеснены телевизионными фирмами Японии, Китая и развивающихся стран Юго-Восточной Азии. Следует заметить, ежегодные объемы продаж в России импортной электронной техники превышают, по оценкам, $20 млрд. Но, помимо легального импорта, существует еще «теневой». Отечественной же электроники производится ежегодно всего на несколько сотен миллионов долларов.

Сегодня большинство видов (по выполняемым функциям) выпускаемых в мире микросхем имеют топологические размеры элементов и межсоединений, укладывающиеся в нормы 0,5 мкм. Они насчитывают до миллионов транзисторов на кристалле. Переход для повышения степени интеграции к субмикронным технологиям связан с определенными трудностями. И не только экономическими. Проектировать высокоинтегрированные микросхемы у нас сегодня почти некому: таких инженеров не готовит ни один российский вуз. Да и с оборудованием для проектирования дела также обстоят из рук вон плохо.

Поэтому в нынешних условиях, чтобы в будущем «догнать и перегнать», мы должны и дальше развивать и внедрять уже используемые у нас технологии, совершенствуя для конкурентоспособности схемотехнические решения электронной аппаратуры. Одно из таких направлений совершенствования — разработка и производство спецпроцессоров аналоговых сигналов, решающих типовые задачи автоматизации измерений, контроля, управления, для промышленного, военного и потребительского применения.

Тот, кто первым и в массовых количествах выпустит на рынок всю номенклатуру процессоров сигналов, станет законодателем в области индустриального автоматизированного производства микроэлектронных управляющих систем, в том числе на базе персональных ЭВМ. То есть станет хозяином этого рынка. Как это сделать — предмет отдельного разговора.

Напомню, речь не идет о безусловной альтернативе цифровым микропроцессорам. Поэтому прочитавший эти заметки может поинтересоваться, а почему рынок аналого-цифровых процессоров не занимают западные компании, выпускающие цифровые процессоры? Дело в их монополии: зачем запускать в производство более дешевые специализированные изделия, если можно еще долгие годы продавать дорогие универсальные.

Совершенно очевидно, основной причиной катастрофического развала российской радиоэлектроники при наличии относительного большого платежеспособного спроса на внутреннем рынке явилась ее низкая конкурентоспособность. Дело в том, что еще до 1990 года, несмотря на относительно большие капиталовложения и приоритетное развитие электронных технологий, отечественная радиоэлектронная аппаратура по основным характеристикам отставала от лучших аналогичных зарубежных образцов на 5−7 лет. Из-за ее более худших, примерно на порядок, энергетических и массогабаритных показателей у нас существенно увеличивались затраты в частности на производство авиационной техники, которая несет в себе более энергоемкое и тяжелое отечественное электронное оборудование по сравнению с американской авионикой. Поэтому для самолетов оно оказывается менее эффективным в первую очередь с точки зрения удельной полезной нагрузки и удельного энергопотребления. А за последние 20 лет мы отстали уже на три-четыре поколения интегральных микросхем.

По оценкам специалистов, вряд ли мы сможем наверстать упущенное и внедрить у себя новейшие интегральные технологии, которыми сегодня владеют США и Япония, раньше чем через лет двадцать. На это нет ни денег, ни производства соответствующих материалов и оборудования — оно во многом разрушено и устарело, ни кадров… Вместе с тем, вызывает большие сомнения, что можно достичь успеха на прежнем пути «догнать и перегнать Америку» за счет копирования устаревших интегральных технологий и микросхем. Новейшие же нам никто не продаст, а разработать их самим сегодня не удастся. Поэтому для завоевания своей ниши в мировом производстве электронной техники нужно воспользоваться нетрадиционными конкурентоспособными решениями.

По пути копирования чужих устаревших микросхем отечественная микроэлектроника волей прежнего начальства двигалась со времени ее возникновения, что и явилось основной причиной ее неконкурентности и развала. Отчасти это объясняется и недостаточными в сравнении с США капиталовложениями — разница была в десятки раз — из-за непонимания высшим руководством страны необходимости и значимости электроники как интеллектуальной составляющей современной сложной техники.

Сегодня положение не лучше. И хотя недавно принята программа по созданию нанотехнологий, пока нет однозначного толкования, что это такое. Ведь нельзя все валить в одну кучу.

Если говорить о наноэлектронных технологиях не как о цели их создания, а как о средствах производства сверхбыстродействующей аппаратуры, то, прежде чем выделять громадные финансовые ресурсы на это дело, необходимо было определить, где такое сверхбыстродействие понадобится.