Основы технологии и энергетики

каждой специализированной области, перед пользователем ИТ встает дилемма

выбора платформы информационной технологии, так как в дальнейшем он будет

зависеть от своего поставщика.

Легкость тиражирования информационных продуктов позволяет с лёгкостью

нарушать авторские права разработчика ИП. Это касается, в первую очередь,

аудио- и видеопродукции, программного обеспечения. Так, в США нелегально

используется, по приблизительным подсчетам, 20% объёма всей продукции, в

Китае - до 80%, в России - около 70%. Выход для разработчиков ИП - судебное

преследование "пиратов", давление правительства на страны, нарушающие

авторские права. В частности, в России фирма Microsoft, российские

производители программного обеспечения выиграли в 1996 году несколько

судебных процессов против пиратов.

Сегодня никто не может игнорировать новые информационные технологии,

широко распространяющиеся в нашей жизни, не говоря уже о той

непосредственной выгоде, которую из них могут извлекать потребители уже

сегодня.

Таковы основные черты развития сегодняшнего индустриального

бизнеса, который уже сейчас конкурирует с промышленностью и в будущем может

быть основным видом экономической деятельности.

2. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ

И ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Микроэлектронные технологии. Электроника прошла несколько этапов

развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы:

дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника

полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем

(микроэлектроника), интегральная электроника функциональных

микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими

темпами. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в

направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока

службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой

энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной

аппаратуры.

Одной из характерных особенностей нынешнего этапа научно-технического

прогресса является все более широкое применение микроэлектроники в

различных отраслях народного хозяйства. Роль микроэлектроники в развитии

общественного производства определяется ее практически неограниченными

возможностями в решении различных задач во всех областях народного

хозяйства, глубоким влиянием на культуру и быт современного человека.

Значительное усложнение требований и задач, решаемых электронной

аппаратурой, привело к росту числа элементов в ней. Число элементов

постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат

десятки миллионов элементов. В этих условиях важное значение приобретают

проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов,

микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации

аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению

микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации управления

механизмами, приборами и аппаратурой. Адаптация микропроцессора к

особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки

соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в память

программ. Аппаратная адаптация в большинстве случаев осуществляется путем

подключения необходимых интегральных схем обрамления и организации ввода-

вывода, соответствующих решаемой задаче.

В микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших

интегральных схем (БИС) - однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ), которые

предназначены для “интеллектуализации” оборудования различного назначения.

Архитектура однокристальных микроЭВМ - результат эволюции архитектуры

микропроцессоров и микропроцессорных систем, обусловленной стремлением

существенно снизить их аппаратные затраты и стоимость. Как правило, эти

цели достигаются как путем повышения уровня интеграции БИС, так и за счет

поиска компромисса между стоимостью, аппаратными затратами и техническими

характеристиками ОМЭВМ.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным

благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей

дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития

полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения

электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника

продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении

совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в

направлении использования новых физических явлений.

Разработка любых ИМС представляет собой довольно сложный процесс,

требующий решения разнообразных научно-технических проблем. Вопросы выбора

конкретного технологического воплощения ИМС решаются с учетом особенностей

разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, присущих различным

способам изготовления, а также технико-экономического обоснования

целесообразности массового производства.

Эти вопросы находят решение путем использования двух основных классов

микросхем - полупроводниковых и гибридных.

Оба эти класса могут иметь различные варианты структур, каждый из

которых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определенными

преимуществами и недостатками. По своим конструктивным и электрическим

характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют

друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же

радиоэлектронных комплексах.

При массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно

предназначенных для ЭВМ, используются, в основном, полупроводниковые ИМС.

Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большими

электрическими мощностями, а также в устройствах СВЧ, в которых можно

применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и

высокой точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную

технологию для обеспечения нанесения пленочных элементов очень малых

размеров.

Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней

интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ – позволили

осуществить проектирование и промышленное производство функционально

сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры

предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и

сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью.

Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение

во всех сферах деятельности человека. Способствует созданию систем

автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и

автоматических производственных линий, средств связи и многому другому.

В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники -

фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление

сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов

микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на

лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение

в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.

Лазерные технологии. Создание лазера - прибора оптического квантового

генератора, стало одним из самых замечательных достижений физики второй

половины двадцатого века.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного

света с высокой направленностью светового луча.

Само слово “лазер” составлено из первых букв английского

словосочетания, означающего” усиление света в результате вынужденного

излучения”.

Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в

информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти

применения широко распространены или находятся в стадии исследований.

Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая

цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие

устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве

различных устройств.

Лазеры в вычислительной технике применяются:

- в качестве логических элементов (да-нет, или);

- для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных

машинах.

В этих целях рассматриваются исключительно инжекционные лазеры.

Преимущества таких элементов: малые времена переключения и считывания,

очень маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических

систем.

Достижимыми оказываются времена переключения примерно 10-10 с

(соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запоминающего

устройства 107 бит/см2, и скорости считывания 109 бит/с.

Лазерные принтеры. Для печати в вычислительной технике и в других

случаях часто применяется лазерное излучение. Преимущество их в более

высокой скорости печати по сравнению с обычными способами печатания.

Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет

преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим

образом обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими

сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т.д.) и служат

для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головки

экспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучение

разделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей (шесть или

больше), которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или

отключаются.

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт),

инжекционный лазер.

Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных,

текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к

которым предъявляются следующие требования:

- более высокая емкость запоминающего устройства;

- более высокая эффективность хранения архивных материалов,

- лучшее соотношение между ценой и производительностью.

Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой

информации.

Информация (речь, музыка, изображения, данные), содержащиеся в виде

электрических сигналов, преобразуется в цифровые величины и выражается тем

самым в виде последовательности импульсов, которая записывается в различной

форме (в виде углублений или отверстий различной длины и расстояний между

ними или магнитным способом) на диске запоминающего устройства.

При считывании считывающий свет, отраженный (рассеянный в обратном

направлении) от этих углублений (отверстий), модулируется и с помощью

фотоприемника преобразуется в соответствующий электрический сигнал.

С разработкой лазера в распоряжении специалистов оказался источник

света с большой длиной когерентности, излучение которого при большой

частоте ( (не более 1015 Гц) и тем самым большой возможной полосе модуляции

и малой ширине линии подходит для оптической передачи информации.

В настоящее время существует большое число линий с лазером в качестве

источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими

частотами 1013 - 1015 Гц, соответствующими длинам волн (=33(0,33 мкм.

Принципиально система для оптической передачи информации состоит из

шести компонентов (рис).

Рис. Схема системы для оптической передачи информации:

1 - источник света; 2 - модулятор света; 3 - линия передач;

4 - фотоприемник; 5 - сигнал.

При использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников

света внешний модулятор может быть исключен (напосредственная модуляция

лазера с помощью возбуждающего тока в этом случае имеет преимущество).

Задача оптической передачи информации является передача излучения от

передатчика к приемнику, и тем самым решающее значение приобретает среда

распространения сигнала. Свойства среды в основном определяют конструкцию и

размеры всей системы передачи, включая выбор источника света и приемника.

Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в

промышленности для различных видов обработки материалов: металлов,

бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два

вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой

фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном,

так и в непрерывном режиме.

В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно

невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического

действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью

неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких

отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм) в рубиновых и

алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления

фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения

маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных

деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с

маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв,

изображений для нужд полиграфической промышленности.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой

средней мощностью: от 1 кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких

энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных

листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных

деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора,

гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке

металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение

вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в

конвейрном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении,

автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она

позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить

технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость

лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100 м\ч при

расходе электроэнергии 10 кВт. ч.

Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-

оптический накопитель(МО).

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического

принципа хранения информации. Записывание информации производится при

помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только

лазера.

Область применения МО дисков определяется его высокими

характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим

для задач, требующих большого дискового объема, это такие задачи, как

САПР, обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа

к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с

критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких

задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для

МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование

жестких дисков или баз данных. В отличии от традиционно применяемых для

этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках,

существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя.

Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости

полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти

достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации

делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и

более дорогим по сравнению со стримерами.

3. НОВЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА И ЭНЕРГИИ

Опыт прошлого свидетельствует, что проходит не менее 80 лет, прежде

чем одни основные источники энергии заменяются другими - дерево заменил

уголь, уголь - нефть, нефть - газ, химические виды топлива заменила атомная

энергетика.

Атомная энергетика. История овладения атомной энергией началась в 1939

году, когда была открыта реакция деления урана. В 30-е годы нашего

столетия известный ученый И.В. Курчатов обосновывал необходимость

развития научно-практических работ в области атомной техники в интересах

народного хозяйства страны.

В 1946 г. в России был сооружен и запущен первый на Европейско-

Азиатском континенте ядерный реактор. Создается уранодобывающая

промышленность. Организовано производство ядерного горючего – урана-235 и

плутония-239, налажен выпуск радиоактивных изотопов.

В 1954 г. начала работать первая в мире атомная станция в

г. Обнинске, а через 3 года на океанские просторы вышло первое в мире

атомное судно – ледокол «Ленин».

Начиная с 1970 г. во многих странах мира осуществляются масштабные

программы развития ядерной энергетики. В настоящее время сотни ядерных

реакторов работают по всему миру.

На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих

отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с

ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома

осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии,

сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные

изотопы.

В России имеется 9 атомных электростанций (АЭС), и практически все они

расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-километровой

зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек.

Атомные электростанции – третий «кит» в системе современной мировой

энергетики. Техника АЭС, бесспорно, является крупным достижением НТП. В

случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практически

никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда в результате

работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются

радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность.

Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и

их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при

правильной их эксплуатации – это чистые источники энергии.

Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики,

нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут

привести к катастрофическим последствиям.

Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира

произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности.

Наиболее характерные из них: в 1957 – в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. – в

Санта-Сюзанне (США), в 1961 – в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 – на АЭС Три-

Майл-Айленд (США), в 1986 – на Чернобыльской АЭС (СССР).

Широкие перспективы появляются в случае применения АЭС с реакторами на

быстрых нейтронах, в которых используются практически весь добываемый уран.

Это означает, что потенциальные ресурсы ядерной энергетики с реакторами на

быстрых нейтронах примерно в 10 раз выше по сравнению с традиционной (на

органическом топливе). Больше того, при полном использовании урана

становится рентабельной его добыча и из очень бедных по концентрации

месторождений, которых довольно много на земном шаре. А это в конечном

счете означает практически неограниченное (по современным масштабам)

расширение потенциальных сырьевых ресурсов ядерной энергетики.

Ядерное топливо не может быть израсходовано в реакторе полностью.

Ядерная цепная реакция не может идти, если количество топлива в реакторе

меньше определенного значения, называемого критической массой.

Уран (плутоний) в количестве, составляющем критическую массу, не

является топливом в собственном смысле этого слова. Он на время как бы

превращается в некоторое инертное вещество наподобие железа или других

конструкционных материалов, находящихся в реакторе. Выгорать может лишь та

часть топлива, которая загружается в реактор сверх критической массы. Таким

образом, ядерное топливо в количестве, равном критической массе, служит

своеобразным катализатором процесса, обеспечивает возможность протекания

реакции, не участвуя в ней.

Естественно, что топливо в количестве, составляющем критическую массу,

физически неотделимо в реакторе от выгорающего топлива. В тепловыделяющихся

элементах, загружаемых в реактор, с самого начала помещается топливо как

для создания критической массы, так и для выгорания.

Значение критической массы неодинаково для различных реакторов и в общем

случае относительно велико.

Так, для серийного отечественного энергетического блока с реактором на

тепловых нейтронах ВВЭР-440 (водо-водяной энергетический реактор мощностью

440 МВт) критическая масса U 235 составляет 700 кг. Это

соответствует количеству угля около 2 млн тонн. Иными словами,

применительно к электростанции на угле той же мощности это как бы означает

обязательное наличие при ней такого довольно значительного

неприкосновенного запаса угля. Ни один кг из этого запаса не расходуется и

не может быть израсходован, однако без него электростанция работать не

может.

Наличие такого крупного количества "замороженного" топлива, хотя и

сказывается отрицательно на экономических показателях, но в силу реально

сложившегося соотношения затрат для реакторов на тепловых нейтронах

Страницы: 1, 2, 3