ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники С. А. Лебедева РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН - научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники
English
Главная страница Контактная информация Карта сайта и поиск
Об институте Решения Проекты Образование

СВЧ-элементы

Е.П. Ландер

С самого зарождения вычислительной техники велись настойчивые поиски различных физических явлений и принципов, применимых для построения перспективных схем ЭВМ. К концу 1956 года ЭВМ создавались на электронных лампах и транзисторах с использованием видеоимпульсов. Группа сотрудников Института ТМ и ВТ В.К.Зейденберг, Е.П.Ландер и Ю.И.Сенаторов предложила рассмотреть возможности построения схем ЭВМ на радиосигналах в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ).

В СВЧ привлекало наличие набора активных и пассивных элементов с большой широкополосностью, обеспечивающей создание на них быстродействующих схем, способных работать с радиоимпульсами наносекундного диапазона, а также наличие необходимых измерительных средств. Очевидным недостатком техники СВЧ являлась неприемлемость габаритов части существовавших конструкций, которые должны были потребоваться в схемах ЭВМ. Из ряда возможных основополагающих принципов работы с радиоимпульсами -амплитудного, фазового и частотного, необходимо было выделить наиболее перспективный. Директор Института академик С.А.Лебедев поддержал предлагаемое направление работ. Небольшой состав группы СВЧ из 6 человек (инженеров и техников), территориальные возможности (осваивалось здание в Сыромятниках) и поисковый теоретический характер работ не требовали значительных материальных затрат.

Вскоре выяснилось, что сторонние организации, занимающиеся радиолокационными вопросами, были очень заинтересованы в цифровой обработке сигналов непосредственно на несущих частотах работы радиолокационных станций.

При этом группе СВЧ была оказана материальная и техническая помощь в виде хоздоговоров о передаче группе материалов из неликвидов и некоторой аппаратуры. Появление материальных средств позволило расширить состав группы за счет специалистов по СВЧ, выпускников МГУ и МЭИ, а также техников — молодых специалистов.

Был приобретен ряд необходимых измерительных приборов, СВЧ-усилителей, генераторов, диодов. Появилась возможность экспериментальной проверки некоторых из разрабатываемых идей.

Первый этап работ, включавший критические оценки ряда рассмотренных принципов и результаты экспериментальной проверки многочастотных логических элементов на смесителях, был обсужден на НТС Института. Продолжение поисковых работ в области СВЧ было признано целесообразным.

Новизна, серьезность и оригинальность решаемых проблем привлекли в группу СВЧ аспирантов (2 человека), большую группу студентов и столь необходимых для практической реализации разрабатываемых конструкций высококвалифицированных механиков, творчески включившихся в создание СВЧ-элементов.

Отсутствие малогабаритных СВЧ-усилителей и невозможность силами группы решить эту проблему заставило перевести работы над многочастотными схемами в разряд теоретических. Возможность иметь логические и запоминающие элементы со многими устойчивыми состояниями-частотами позволила организовать работу в системе счисления в остатках, основывающуюся на новых принципах и разработанную в то время для повышения быстродействия ЭВМ за счет того, что все арифметические операции в этой системе счисления могут выполняться как поразрядные операции. Вопросы построения арифметического устройства на этом принципе были рассмотрены в дипломном проекте Л.Е.Пшеничникова. Основные силы группы были переключены на разработку СВЧ-параметронов.

Низкочастотные параметроны тогда уже были разработаны и использовались в нескольких японских машинах. СВЧ-параметроны были оценены как перспективные, обладающие многими достоинствами элементы: предельная простота (нелинейность — емкость закрытого р-п-перехода), относительно малая потребляемая мощность, высокое быстродействие, надежность работы, возможность использования в качестве логических и запоминающих элементов. Размеры параметронов удалось сократить с десятков сантиметров в первых конструкциях до размеров используемых в них параметрических диодов с колебательными контурами на конструктивных элементах самих диодов, то есть с размерами, составляющими доли миллиметра.

Сложнейшие вопросы разводки напряжений питания, импульсов тактирования и логических связей в диапазоне СВЧ оказалось возможным решить просто и надежно. Были реализованы способы беспроводникового питания большого количества параметров путем погружения их в переменное электромагнитное СВЧ-поле объемного резонатора. Логические связи (положительные и отрицательные) между параметронами осуществлялись через их поля рассеяния, связи между удаленными параметронами организовывались через малогабаритные коаксиальные кабели с большим затуханием, не требующие обеспечения омических контактов и согласования на концах при отсутствии вредных отражений. Трехтактные синхроимпульсы были получены путем синтеза их гармонических составляющих.

Разработанные способы и средства организации вычислительных систем на СВЧ-параметронах были защищены авторскими свидетельствами. Большое внимание было уделено исследованию явлений в самих параметронах и возможности создания различных устройств вычислительной техники, допускающих связи только между смежными элементами.

В результате выполнения двух хозрасчетных договоров на СВЧ-параметронах были созданы цифровые фильтры, обеспечивающие предварительную обработку сложных фазома-нииулированных радиолокационных сигналов, цифровая часть фильтра включала сдвиговый регистр и аналоговый сумматор на 63 разряда и генератор псевдослучайных чисел. На базе СВЧ-параметронов были разработаны и схемы цифровых сумматоров с улучшенными характеристиками. Основные параметры фильтров: тактовая частота работы 80 МГц, частота накачки 10 ГГц, количество параметронов примерно 200 шт. Работоспособность сдвигового регистра в кольцевом режиме сохранялась при частоте тактирования 150МГц.

Насколько известно, в конце 60-х годов такое быстродействие для устройств подобной сложности в нашей стране было рекордным. Заказчики были удовлетворены. По результатам этих работ было защищено 4 кандидатских диссертации и девять дипломных проектов.

Ясность задач, творческий поиск решений без возможности использования зарубежного опыта, тщательность при отработке конструкций и проводимых экспериментов над устройствами, отличавшихся большим быстродействием и опасностью облучения СВЧ, способствовали созданию грамотного и работоспособного коллектива, накопившего большой научный и практический опыт. Показательно, что 4 студента выросли до кандидата наук, а один студент и один аспирант позже стали докторами наук. Научные успехи ещё четверых бывших студентов нам неизвестны, так как они ушли из ИТМ и ВТ. Инициаторы работы многие годы по совместительству преподавали в МФТИ и МЭИ, руководили курсовыми и дипломными проектами. Особо следует отметить огромный объем механических работ, который выполнили механики-энтузиасты, мастера самой высокой квалификации К.И.Осипов, В.И.Дронов, В.В.Сангалов при неизменной поддержке мастера цеха Н.М.Громейко.

Дальнейшего развития направление СВЧ не получило по ряду причин. В это время за рубежом появились интегральные схемы, обеспечивающие высокие скорости работы. Здесь уместно отметить, что разработанные устройства на СВЧ-параметронах не противоречат их интегральному исполнению, что, конечно, не могло быть осуществлено без привлечения соответствующих организаций и доработок части схем. В интегральном исполнении при сокращенных габаритах, параметроны сохранили бы все свои достоинства, но расширение работ по СВЧ в Институте потребовало бы материальных затрат теперь уже из собственных фондов. По-видимому, немаловажным оказалось то, что за рубежом аналогичные работы не проводились.

Институт в это время должен был основные силы концентрировать на проектировании ЭВМ на традиционной элементной базе, поэтому не все фундаментальные исследования, проводимые в Институте, при этом могли рассчитывать на продолжение.

Хочется остановиться на двух примерах, иллюстрирующих специфические стороны небольшой, в масштабах ИТМ и ВТ, хоздоговорной работы.

Поскольку никакой другой вариант опытной конструкции параметрона, кроме объемного, содержащего 6 механически изготовленных деталей, не был доступен разработчикам (интегральной технологии было не до наших проблем), нужно было где-то разместить заказ на изготовление небольшой серии параметров для макета. Деньги (и как нам казалось, немалые) на оплату этой работы были зарезервированы. Имелась договоренность с заводом САМ на выполнение нашего заказа. Поразительными оказались накладные расходы на заводе — около 300%.

Без обоснования причин завод отказался от нашей работы. С помощью академика С.А.Лебедева работы (в сокращенном варианте) были переданы в мастерские Института, вызвав страшное волнение плановика опытного производства. Он не отказывал в исполнении заказа, но просил уменьшить сумму оплаты. Предлагаемые средства не могли быть освоены. Накладные расходы у мастерских составляли всего около 100%. Параметроны (около 250 шт.) были изготовлены очень дешево, на энтузиазме токаря В.И.Дронова, который давно был готов один за некоторое дополнительное вознаграждение сделать работу и притом в 3 раза быстрее. Таким образом, часть денег осталась нереализованной.

Второй пример (незабываемый!) другого характера. Как известно, заявки на радиодетали на каждый год оформлялись летом предыдущего. Теоретически оставалось право скорректировать заявку позднее (осенью). Свертывание работ по СВЧ-тематике произошло очень быстро. Однако мы успели своевременно оформить отказ от заявки на параметрические диоды на 1970 г. Каково же было наше удивление, когда через полгода в Институт из Министерства пришел отказ на отказ. Ненужные уже диоды в течение года поступали на наш склад! Объяснение этого, кроме отсутствия оперативности в вопросах снабжения, в данном случае может заключаться в необходимости поддержать организацию, для которой тематика по параметрическим диодам (как, впрочем, и для группы СВЧ) была новой, нуждалась в поддержке и потребителях.

Думается, что если бы в ИТМ и ВТ параметронные схемы получили развитие, Институт потреблял бы больше параметрических диодов, чем все радиолокационные НИИ и заводы вместе взятые!

Не исключено, что в будущем при переходе к оптическому диапазону некоторые результаты, полученные группой СВЧ в 60-е годы, могут найти практическое применение.

 

© 1948—2016 «ИТМиВТ»
Версия для печати Контактная информация