Новые технологии производства компьютеров

Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время  используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются  для определения характеристик  другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G).

Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать  по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Билл Дитто (Bill Ditto) из Технологического института  штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.

 

11. Оптические компьютеры

По сравнению  с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно  стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.

Эти операции можно  упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими. Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче через все океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды с применением света и электричества. Оптический компьютер может быть меньше электрического, так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнению с сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь терабитных скоростей потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей – уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне.

Недавно компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами (48 из них она зарезервировала для собственных нужд), причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Возможно, что при дальнейшем развитии технологии мультиплексирования число лучей увеличится еще больше, что позволит расширять полосу пропускания без замены кабеля.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.

Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи – вплоть до «последней мили» на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.

 

12. Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер  будет состоять из компонентов субатомного  размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир – очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности.

Например, один квантовый бит может принимать  несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций – вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Уже есть несколько  действующих квантовых компонентов – как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или «псевдоатомов». Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической «1», а вторая – «0». Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах  квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и «1», и «0» с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2015 году, а в 2020–2030 годах должно начаться их массовое производство.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Нанотехнология  – без сомнения самое передовое  и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний  день. Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом. Развитие нанотехнологий в информационных технологиях откроют для нас больше новых возможностей. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

 

 

 

Список используемых источников

1. Информационные системы и технологии в экономике и управлении / В.В Трофимов. – М.: Высшее образование, 2006. – 480 с.

2. Интеллектуальные информационные системы / А.В Андрейчиков. – М.: Финансы и статистика, 2006. – 424 с.

3. Основы прикладной нанотехнологии / Балабанов В.И., Абрамян А.А. – Магистр-пресс, 2007. – 206 с.

 

 

Организация конвейерного производства компьютеров 

10.07.2004

Борис Афонин,  
директор компании INPPK  
inppk@inppk.ru

Александр Космин,  
инженер АСУТП компании INPPK  
kosmin@inppk.ru

В последнее время спрос на персональные компьютеры в России держится на стабильно  высоком уровне, так что для  целого ряда отечественных производителей экономически оправданной становится организация конвейерной сборки вычислительной техники, что повышает качество готовых изделий и значительно снижает долю ручного труда в процессе сборки.

Мини-завод по производству компьютеров  офисного применения включает в себя сборочный конвейер, участки тестирования и упаковки. На конвейере происходит механическая сборка компьютера. После этого с технологического диска на нем устанавливаются драйверы устройств и тестовая версия операционной системы. После сборки компьютеры проходят испытания в камере температурного контроля и упаковываются в автоматизированном режиме.

Простая линия сборки

Диапазон вариантов построения линий сборки достаточно велик. Пример самой простой линии - это линия, установленная на одном из заводов  в Калуге и предназначенная для сборки компьютерных корпусов. Она представляет собой простой ленточный конвейер длиной 30 м. По обеим сторонам конвейера расположены рабочие места.

При такой организации технологического процесса возможны два варианта. Первый - при скорости конвейера 0,5-2,5 м/мин при сборке вполне допустимо его непрерывное движение; корпуса изделий постепенно продвигаются к концу конвейера, после чего поступают на выдачу. По второму варианту, при скорости конвейера выше 2,5 м/мин, он должен работать в пульсирующем режиме. Для этого либо у каждого рабочего места устанавливаются кнопочные посты технологического останова, либо конвейер автоматически включается и выключается через определенные промежутки времени.

В обоих случаях можно предусмотреть  плавную регулировку скорости вариатором или частотным преобразователем.

Однако описанный способ построения сборочной линии не подходит для  организации сборки компьютеров, так  как не включает упаковку и складирование, а также тестирование компьютеров  в автоматическом режиме. Кроме того, поскольку простейший способ построения линии не поддерживает автоматический режим выполнения операций, он не позволяет собирать статистические данные ни о самих собираемых изделиях, ни о состоянии оборудования линии в процессе работы.

Автоматизированная конвейерная  сборка

Мини-заводы по выпуску компьютеров  подразумевают не только сборку, но и тестирование компьютеров, их автоматическое складирование, упаковку, а также  сбор данных о состоянии каждого  компьютера и линии в целом  с занесением этой информации в базу данных.

Как правило, мини-заводы строятся по замкнутой схеме (рис. 1).

Рис. 1. Схема линии сборки компьютеров. 1, 2, 5 - рабочие места; 3 - заземление; 4 - роликовый конвейер; 6 - закладка  программного обеспечения, загрузка  в термокамеру; 7 - поворотный роликовый  стол; 8 - шкаф управления; 9 - термокамера; 10 - загрузочное окно; 11 - разгрузочное  окно; 12 - выгрузка из термокамеры, проверка результатов теста; 13, 14 - пульт управления; 15 - узел подготовки сжатого воздуха.

Основа мини-завода - сборочный  конвейер (4 на рис. 1), на котором происходит сборка системных блоков. Сборщики на рабочих местах (1, 2 и 5 на рис. 1) собирают компьютеры и по мере готовности продвигают системные блоки, лежащие на специальных палетах, по конвейеру.

Сборочный конвейер может быть устроен  по-разному. Это может быть как  простой неприводной роликовый  конвейер, так и цепной конвейер либо ленточный (последний вариант нежелателен, поскольку при этом останов палеты на одном рабочем месте ведет к остановке всего конвейера). Для фиксации палет на каждом рабочем месте предусмотрен останов, устроенный таким образом, что в момент фиксации одной палеты не мешает продвижению других палет по линии. Готовые системные блоки после сборки поступают на рабочее место (6 на рис. 1), где в системный блок устанавливается программное обеспечение. Затем компьютер поступает в термокамеру (9 на рис. 1) для тестирования при повышенной температуре.

Термокамера-склад 

Термокамера представляет собой многоуровневый автоматический склад с двумя  подъемниками (2 и 11 на рис. 2) на загрузке и выгрузке. Процессы загрузки и  выгрузки полностью автоматизированы. Оператору достаточно только выбрать необходимый уровень на пульте управления (5, 10, 14 на рис. 2), после чего компьютер поступает в термокамеру. При такой схеме не требуется присутствие человека в термокамере, что, во-первых, обеспечивает необходимый уровень безопасности для людей (поскольку палеты, на которых расположены компьютеры, находятся на токосъемниках под напряжением) и, во-вторых, позволяет поддерживать стабильную температуру тестирования.

Рис. 2. Схема термокамеры. 1, 12 - окно загрузки/выгрузки; 2, 11 - подъемник; 3 - привод; 4 - направляющие подъемника; 5, 10, 14 - пульт управления; 6 - тестируемые  компьютеры; 8 - направляющие гравитационного склада; 9 - инфракрасные ТЭНы; 13 - стопор.

Как показали исследования, для выявления 98% сбоев компьютеров достаточно провести тестирование в течение 24 ч при температуре 40 град. C. Для  нагрева термокамеры, как правило, используется несколько инфракрасных ТЭНов (9 на рис. 2), установленных под потолком термокамеры. Применение именно инфракрасных ТЭНов дает значительную экономию электроэнергии, так как нагревается не воздух, а только оборудование. После окончания тестирования оператор на рабочем месте (14 на рис. 2) выгружает палету из термокамеры, проверяет прохождение тестов и, если нужно, принимает решение об отбраковке системного блока. После этого прошедшие тестирование компьютеры поступают на упаковку. Количество уровней в термокамере может быть различным и обычно варьируется в диапазоне от 7 до 10. Кроме того, существуют варианты склада, когда поддерживается несколько параллельных веток, обслуживаемых также двумя подъемниками (по принципу штабелера).