Компьютеры на микроэлектронной элементной базе

По мере усовершенствования полупроводниковых приборов и интегральных схем внедрение компьютеров в повседневную жизнь расширялось. К середине 1960-х гг. стали появляться ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, которые стали заменять дискретные транзисторы. К 1964 г. были разработаны ЭВМ третьего поколения на первых ИС. Они обеспечили высокую надежность и заменили дискретные транзисторы. К концу 1960-х гг. начали завоевывать коммерческую популярность мини-компьютеры. Совершенствование полупроводниковых приборов и появление ИС укрепило положение компьютеров и внедрило их в повседневную жизнь.

Развитие ЭВМ было тесно связано с необходимостью ускоренных разработок для военного и гражданского использования космоса. В 1961 г. Советский Союз осуществил первый в ми-ре пилотируемый запуск космического корабля. Первым космонавтом стал Ю.А. Гагарин. Успехи СССР резко подстегнули работы по созданию больших компьютеров в США. Это направление вошло в список "первоочередных задач США". Применение больших компьютеров для управления полетом обеспечило успех американской программе "Апполон", в результате выполнения которой в июле 1969 г. на Луну высадились два астронавта - Н. Армстронг и Э. Олдрин.

Развитие больших компьютеров шло по пути расширения их функциональных возможностей и областей применения. Темпы развития были настолько высокими, что разработчики компьютеров были вынуждены постоянно пересматривать их архитектуру и совершенствовать программные средства. Особенно это касалось операционных систем, с помощью которых велась работа с виртуальной памятью. Появились стандартные языки программирования, которые пользователи стали применять для создания прикладных программ.

Компьютеры прямого цифрового управления оказались более дешевыми по сравнению с предыдущими. Предоставляя возможность оптимизации параметров производственного про-цесса на предприятии, они находили применение в авиа- и автомобилестроении. Здесь впервые были применены контрольные установки с числовым программным управлением для проверки параметров в блоках двигателей. Важным направлением стало применение ЭВМ в банковском деле. Благодаря цифровым ЭВМ осуществлялись запуски метеорологических, навигационных спутников и спутников связи. Причем затраченные на разработку компьютеров средства быстро окупались.

К середине 1960-х гг. разработкой и производством компьютеров занимались крупные электротехнические и электронных концерны и предприятия. В 1975 г. компания RCA (США) разработала мощную вычислительную машину БИЗМАК. В СССР успешно развивалось семейство крупных ЭВМ БЭСМ.

Развитие интегральных схем и появление и становление МОП-технологии в 1970-е гг. открыло эру микропроцессоров и микрокомпьютеров. В этот период появились микропроцессоры фирмы Intel моделей 4004 и 8008, которые обладали достаточно мощными характеристиками и позволяли осуществлять прямой доступ к памяти емкостью 16 килобайт (кбайт). В 1973 г. компа-ния Intel выпускала функционально законченные, одноплатные промышленные компьютеры. Появился однокристальный 8-разрядный микрокомпьютер, содержащий на одном кристалле центральный процессор, оперативную и постоянную память, а также средства (порты) ввода-вывода данных. В это же время в СССР появились мощные миниатюрные компьютеры семейства "Салют" для космических систем. Появление микропроцессоров обеспечило революционный прорыв в автоматизации технологических процессов и в управлении, поскольку на их основе пользователи могли создавать вычислительные средства "под свои задачи". Это изменило представление о компьютере, как о чем-то уникальном и недоступном. В 1976 г. был введен термин "персональный компьютер" - ПК.

Модернизация микросхем шла высокими темпами, рынок их стремительно расширялся. В середине 1970-х гг., благодаря расширению объема производства ИС, цены на бытовую электронику резко снизились. В области разработки БИС и компьютеров США сохраняли лидирующее положение, чему способствовала и государственная программа создания сверхскоростных и сверхбольших интегральных схем. Европейские концерны Philips, Thompson, Siemens после недолгой конкурентной борьбы были вынуждены уступить. Правительство Японии стало вкладывать громадные государственные средства в микроэлектронику, была разработана и успешно осуществлена государственная программа по развитию интегральных технологий. Это позволило японским корпорациям Sony, Panasonic, Toshiba занять в после-дующем лидирующее положение в области БИС памяти и быто-вой электроники. В Советском Союзе при поддержке государства успешно развивалась собственная элементная база. Все высоко-развитые страны продолжали разрабатывать и производить соб-ственную элементную базу для военных систем.

Оптоэлектроника

В 1970-х гг. появилось новое самостоятельное направление в электронике - оптоэлектроника, для которого в середине 1990-х гг. был введен более общий термин - фотоника.

Для появления оптоэлектроники сложились объективные причины. Особенностью научно-технического прогресса середи-ны ХХ в. стал взаимообмен между различными научными на-правлениями, их перекрещивание и сближение. Оптоэлектроника объединила в себе достижения обычной и квантовой электрони-ки, оптики, физики полупроводников и ряда других научно-технических направлений. С одной стороны, ее история нераз-рывно связана с развитием оптики и электроники в целом, т.е. уходит корнями в 1930-е гг. ХIХ в. С другой стороны, только во второй половине ХХ в. достижения в этих областях, включая по-явление микроэлектроники, планарной технологии и лазера, по-зволили говорить о рождении оптоэлектроники как самостоя-тельного направления.

Оптоэлектроника возникла тогда, когда стало ясно, что многие задачи в области информатики и связи невозможно ре-шить с помощью существующих средств микроэлектроники, в том числе задачи приема, обработки, распознавания изображений и отображения информации. Оптоэлектронные приборы возник-ли как недостающее звено электроники. Для представления, об-работки и передачи информации в оптоэлектронике используют-ся не только электроны, но и фотоны. В элементах осуществляет-ся преобразование электрических сигналов в оптические и на-оборот. Оптоэлектроника, как отдельная область электроники и микроэлектроники, базируется на генерации, приеме и обработке световых сигналов с помощью оптических элементов, полупро-водниковых приборов и интегральных схем. Она использует оп-тические (линзы, призмы, оптоволокно и т.д.) и электронные (светодиоды, лазеры фотодиоды, фотоприемные БИС и т.д.) эле-менты.

Создание гетеролазера

Высшим достижением в электронике стало изобретение лазера и возникновение квантовой электроники, что привело к появлению уникальных электронных технологий. Асенидогал-лиевый лазер был открытием в науке, но его широкое примене-ние в промышленности тормозилось из-за технических недостат-ков. Проблема была решена, когда в 1967 г. был создан гетерола-зер.

Гетероструктура - это многослойный твердотельный элемент, сформированный из разнотипных полупроводниковых ма-териалов с разной шириной запрещенной зоны. Благодаря этому создается гетеропереход - граница между ними.

Свойства гетеропереходов интересовали ученых еще в 1950-х гг. У. Шокли, в числе многочисленных изобретений, по-лучил также патент на транзистор с гетеропереходом. Однако практический прибор не был реализован. В ведущих лаборато-риях мира активно исследовалась возможность создания лазеров на гетероструктурах, как основы для дальнейшего развития полупроводниковой оптоэлектроники. В 1960-1963 гг. была разра-ботана теория гетеролазера, в соответствии с которой он по сово-купности параметров мог значительно превзойти обычный полу-проводниковый лазер. Сложность была в том, что практически не удавалось получить пару полупроводников для гетероперехода, идеально подходящих друг к другу по кристаллической решетке. С 1968 г. началось жесткое соревнование между крупнейшими лабораториями США и СССР. Углубленная физическая модель гетероперехода была разработана в 1966 г. советским физиком Ж. Алферовым и, независимо, американцем Г. Крёмером.

Требуемое соединение полупроводников галлий-алюминий-арсенид (GaAlAs) было найдено в начале 1960-х гг. в ФТИ группой ученых под руководством Ж. Алферова. Изменяя концентрацию алюминия, можно получать полупроводники с одинаковой кристаллической решеткой, но с разной шириной зоны и на их основе - требуемые гетеропереходы. В 1968 г. в ФТИ был получен первый в мире импульсный гетеролазер, а в 1970 г. - гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. В 2000 г. Ж. Алферову совместно с профессором Г. Крёмером была присуждена Нобелевская премия за развитие полупроводниковых гетероструктур.

Полупроводниковые лазеры нашли широчайшее приме-нение практически во всех сферах человеческой деятельности. В машиностроении мощные лазеры используются для формирова-ния прецизионных (сверхточных) отверстий, упрочения деталей и узлов, например, колесных пар для подвижного состава. В мик-роэлектронной технологии они применяются для формирования рисунка интегральных схем; в телекоммуникации - для создания сверхширокополосных систем связи (ВОЛС); в космических ис-следованиях - для систем навигации, астроориентации и связи между космическими аппаратами. В медицине лазер заменил скальпель и позволил проводить бескровные операции.