Рэа что это в электронике

Что такое РЭА в электронике?

Радиоэлектронная аппаратура в электронике требует наличия специальных корпусов. Лишь с использованием особого корпуса можно создать безопасный и эффективный прибор. Корпуса не могут быть универсальными, для каждого необходима собственная уникальная конструкция.

Производство электроники сегодня выходит на новый уровень. Автоматизация производств — ключ к повышению производительности труда. Даже незначительное увеличение вышеозначенного экономического показателя позволит существенно улучшить качество жизни.

Классификация корпусов РЭА

Чаще всего, производство корпусов ведётся из специального пластика. Конфигурация зависит не только от количества элементов, но и от общего занимаемого объёма устройства.

Принято подразделять корпуса на следующие классы:

• для приборов, готовящихся к экспорту (любой транспортировке);
• для устройств, которые боятся проникновения влаги;
• вариант, в котором сразу размещается и пульт управления, и дисплей и т.д.

Так же можно разделить все корпуса по способу крепления: на стене или на горизонтальной поверхности. Некоторые предприятия внедряют в производства зарубежные стандарты.

К примеру, можно заказать производство корпуса, который будет монтироваться на DIN-рейку.

Материалы, из которых выполняются корпуса

Наиболее распространены два материала, которые используются в широком производстве: металл и пластик. Говоря о металле, имеется в виду алюминий. Преимущества алюминия заключается в том, что он не подвержен коррозии.

Гораздо более доступный вариант — пластик. Он обладает достаточным уровнем прочности. В продаже можно встретить различного рода приборы, датчики и катушки, которые обладают пластиковым корпусом.

Преимущество использования DIN-рейки заключается в том, что монтаж самого корпуса осуществляет очень быстро. При этом крепление получается достаточно сильным.

Корпуса, которые реализуются специализированными фирмами сегодня, могут быть использованы не только для бытовых целей, но и для различного рода производств. Другими словами, современные корпуса могут быть эффективно экранированы.

В этом случае оборудование внутри корпуса будет надёжно защищено от помех практически всех видов.

Ценовой диапазон так же выглядит невероятно широким. Цена на конкретный корпус зависит от требований, которые выдвигаются к нему от потенциального покупателя. Вилка цен выглядит следующим образом: от 400 до 6000 рублей за корпус.

Узнайте о том, как происходит монтаж РЭА в электронике сегодня:

Производство РЭА

Контрактное производство электроники – комплекс работ, который включает в себя все этапы создания электрооборудования от разработки до проведения конечных испытаний и наладки. Компания «Вектор» за время своего существования успела наладить связи с множеством крупных производителей в этой сфере. Благодаря этому мы смогли расширить область предоставляемых нами услуг.

Среди наших партнеров можно встретить такие бренды, как: Microchip, ST Microelectronics, Murata, TexasInstrument и другие. Они поставляют нам качественные комплектующие для производства электроники на нашем предприятии. Поэтому мы уверены в надежности нашей продукции и готовы дать клиентам длительную гарантию.

Преимущества контрактного производства РЭА

• Высокая скорость разработки, изготовления, наладки, монтажа радиоэлектронной аппаратуры.
• Низкие цены на комплектующие и проведение работ. Мы работаем с нашими партнерами не первый год и заслужили доверие, поэтому дилеры поставляют нам детали по минимальной цене. Это положительно сказывается на их себестоимости, а, следовательно, на конечной цене.
• Заказчик после оформления заказа сможет сконцентрироваться на маркетинге своей продукции, а все работы доверить нам.
• Высокое качество и большой ресурс конечных радиоэлектронных устройств.
• Большая область проводимых нами работ: изготовление и монтаж печатных плат любой сложности, сборка РЭА в корпуса нашего производства, настройка оборудования, проведение лабораторных испытаний на современном оснащении, производство проводов, жгутов.
• Все задействованные в проекте организации ведут себя, как единый организм. За счет этого повышается эффективность и качество работ.

Наши преимущества

Наличие собственной производственной базы

Использование высокотехнологичного оборудования

Высокое качество продукции в сочетании с доступными ценами

Короткие сроки выполнения заказов

Заказать контрактное производство РЭА по вашим проектам можно, предварительно созвонившись с нами по телефону +7 (495) 644-45-26. Мы готовы обсудить все ваши предложения, внести свои правки и приступить к работе.

Вы можете отправить свои идеи нам на почту, указав свои координаты. Мы свяжемся с вами, обсудим все возможные варианты исполнения заказа, его стоимость, доставку готовой продукции. Воспользуйтесь услугой «обратный звонок», и наши менеджеры дадут вам подробную консультацию по всем вопросам.

Направления контрактного производства электроники

© 2000-2023 OOO «Вектор» — лазерная резка металла, производство и монтаж печатных плат, корпусов , светильников.

Рэа что это в электронике

В статье дан краткий анализ отечественного рынка РЭА и показана необходимость организации в стране официальной статистической базы по производству и потреблению радиоэлектронной аппаратуры. Статистическая база должна быть доступной для анализа состояния и тенденций рынка РЭА и для выработки управленческих решений.

Россия с третьей электронной державы в 90-х годах прошлого века за последние 15–20 лет скатилась в аутсайдеры среди развитых стран по объему производства электронной продукции и уровню развития технологий. Если в 1990 году РЭА в СССР было произведено в объеме более 70,0 млрд. долл., то в 2012 году – на 18,4 млрд. долл.
В 1990-х годах в радиоэлектронном комплексе (РЭК) страны произошли принципиальные изменения. С одной стороны, была разрушена инфраструктура РЭК, с другой – отечественный рынок открыл дорогу массовому использованию импортной радиоэлектронной аппаратуры и ЭКБ (мобильная связь, навигационная аппаратура, авионика, автоэлектроника, бытовая радиоэлектронная аппаратура (БРЭА) и др.). По этим причинам была утеряна динамика технологического развития в области производства современной электронной компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры и возникла главная проблема — недопустимо высокое преобладание на нашем рынке импортной продукции. Соотношение импортной радиоэлектронной продукции к отечественной на нашем рынке составляет 65% к 35%. Это соотношение распространяется и на военную радиоэлектронику, что создает угрозу национальной безопасности государства.

В ближайшие годы на структуру отечественного рынка РЭА существенное влияние будет оказывать тот факт, что Россия в августе 2012 года официально стала 156-м членом Всемирной торговой организации (ВТО), участие в которой наряду с определенными преимуществами для страны налагает и выполнение определенных обязательств. В частности основные преимущества от членства в ВТО для РЭК страны можно суммировать следующим образом:
создание более благоприятных условий доступа на мировые рынки товаров и услуг на основе предсказуемости и стабильности развития торговых отношений со странами-членами ВТО, включая транспарентность их внешнеэкономической политики;
доступ к механизму ВТО по разрешению споров, обеспечивающему защиту национальных интересов, если они ущемляются партнерами, и таким образом устранение дискриминации;
возможность реализации своих текущих и стратегических торгово-экономических интересов путем эффективного участия в МТП при выработке новых правил международной торговли.
К обязательствам следует отнести то, что документами ВТО предусматривается снижение ставок ввозных таможенных пошлин по основным импортным товарным группам радиоэлектронной продукции в три раза в течение трех лет после присоединения к ВТО и обнуление ставок к четвертому году, что делает импортную продукцию еще более конкурентоспособной.
Таким образом, можно констатировать, что увеличение доли отечественной радиоэлектронной продукции на внутреннем рынке – задача очень сложная. Для ее выполнения потребуется обеспечить не только конкурентоспособный технический и экономический уровень отечественной продукции, но и выработать и реализовать комплекс мер организационного и правового порядка для продвижения этой инновационной продукции на рынок. Для этого необходимо понимание рыночных проб­­лем и более детальное изучение отечественного рынка радиоэлектронной аппаратуры.
Современный отечественный рынок РЭА представляет собой организованную структуру, в которую входят продавцы и покупатели, производители товаров (услуг) и их потребители.
Структура рынка – это его наиболее существенные черты, к которым относятся: количество фирм и их размеры, степень отличия или сходства товаров, легкость входа на конкретный рынок и выхода из него, доступность информации. Способность оказывать влияние на формирование и уровень цен зависит от структуры рынка.
Структура отечественного рынка РЭА формировалась последние 15–20 лет стихийно, в основном без регуляторов со стороны государства, и в нас­­тоящее время существует в двух классических видах, мало зависимых друг от друга, – совершенной конкуренции и монополии.
Характерными признаками первого типа рынка является присутствие на нем большого количества мелких фирм (более 1500) с однородной продукцией. Вхождение и выход на рынок для этих фирм не затруднен, имеется равный доступ к любой информации. Цена устанавливается рынком и роль организации в ее формировании мала. Конкурентная структура рынка наиболее развита.
На рынке второго типа присутствуют крупные фирмы, производящие уникальную продукцию (например, концерны «Вега», «Созвездие», «Алмаз-Антей», «Радиоэлектронные технологии», «Росэлектроника», ОАО «Ситроникс» и ряд других). Доступ к информации этих фирм частично ограничен, вход на рынок других организаций по профильной продукции практически невозможен. При такой структуре рынка организация сама устанавливает условия конкуренции.
Рынок имеет собственную инфраструктуру, под которой понимается совокупность государственных и коммерческих предприятий и учреждений, обеспечивающих функционирование рыночных отношений. К инфраструктуре рынка относятся торговая сеть (дилеры и дистрибуторы), таможенная и налоговая системы, банки и биржи, рекламные агентства, консультативные и информаторские службы, учреждения ревизий и контроля.
Сегментация (или сегментирование) – это структурирование рынка, основанное на неоднородности потенциальных покупателей и их потребительского поведения. Сегментирование рынка является необходимым условием для дифференцированного маркетинга.
Сегмент – это группа потребителей, характеризующаяся однотипной реакцией на предлагаемый продукт и на набор маркетинговых стимулов.
Сегментация рынка заключается в разделении рынков на четкие группы покупателей (рыночные сегменты), которые могут требовать разные продукты и к которым необходимо применять разную маркетинговую политику.
Зная различия между разными сегментами рынка, компания может выпускать для отдельных сегментов специализированные продукты, применять разные программы стимулирования сбыта или рекламные сообщения. Кроме того, концентрация на определенном сегменте может быть позиционированием торговой марки.
Маркетологи всегда учитывают закон Парето («закон 80:20»), согласно которому примерно 20% покупателей приносят фирме 80% дохода, представляя собой обобщенную группу целевых клиен­­тов фирмы. На них фирма и ориентирует свои продукты («стрельба по целям»). Такая стратегия рыночной деятельности представляется более эффективной.
Необходимо отметить, что утвержденной распоряжением Правительства РФ №2396-р от 15 декабря 2012 г. государственной программой «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы» ставится задача добиться увеличения доли отечественных радиоэлектронных изделий на внутреннем рынке до 40% и на мировом до 0,8% к 2025 году. Следовательно, отечественный радиоэлектронный комплекс должен за эти годы обеспечить производство и реализацию продукции на уровне 40,0 млрд. долл. Для решения такой сложной задачи потребуется обеспечить не только трехкратное увеличение производственных мощностей, но и выработать маркетинговую стратегию отрасли, нацеленную на реализацию этой продукции через поиск потребительских мотиваций и понимания потребительского поведения.
Разработка маркетинговой стратегии основывается на точном знании параметров рынка. Целенаправленного факторного и кластерного анализа рынка РЭА за все эти годы у нас в стране не проводилось и, следовательно, не выработан механизм воздействия инструментов маркетинговой деятельности на реализацию требований перспективных рыночных сегментов. Это является одной из причин того, что эффективность работы радио­­электронного комплекса страны значительно ниже, чем у зарубежных конкурентов.
В России, согласно экспертным оценкам, в радио­­электронном секторе экономики работают более 2 тыс. предприятий и компаний, которые можно условно разделить на четыре группы:
традиционные предприятия;
новые компании;
дочерние предприятия зарубежных компаний;
поставщики-продавцы массовой продукции.
Дадим краткую характеристику каждой группе компаний.
Традиционные предприятия. Все они (в РЭК 378), как правило, организованы в советский период развития индустриализации и составляют основу радиопромышленного комплекса страны. Почти все предприятия этой категории находятся в сфере ведения Департамента радио­электронной промышленности (ДРЭП) и включены в Сводный реестр организаций ОПК.
Организации этой группы ориентированы главным образом на производство продукции спе­­циального назначения. Производители радиоэлектронной аппаратуры в этом сегменте – вертикально интегрированы и специализируются по видам конечной продукции. Производители компонентной базы, напротив, широко диверсифицированы и характеризуются низкой, но стабильно растущей степенью интеграции в производство аппаратуры и специальных материалов. Российские производители преобладают в сегменте специальной радио­­электроники в силу исторических причин, приоритетов предыдущих программ в промышленности, а также закрытости этого сегмента для конкуренции со стороны иностранных компаний.
Новые компании. Новые компании (их уже более 1,5 тыс.) – это частные компании, созданные после 1990-х годов в новых рыночных условиях, с численностью сотрудников примерно 50 человек. Всего в них занято около 25 тыс. работников. Годовая выработка на сотрудника на частных предприя­­тиях в несколько раз больше, чем в организациях с государственным участием. Также велики различия в оплате труда квалифицированных специалистов.
Эти организации ориентированы на широкий спектр конечной продукции и компонентов в нишах профессиональной электроники, также они зачастую выступают субподрядчиками государственных организаций, выполняющих оборонный заказ. Частные организации специализированы на отдельных процессах создания стоимости, таких как, например, сборка электронной компонентной базы, производство интегральных схем, проектирование, дистрибуция. Суммарная выручка по группе оценивается в 60 млрд. руб. Технологический уровень новых российских предприятий приближается к уровню европейских произ­­водителей электронной аппаратуры.
Дочерние предприятия зарубежных компаний. Они создавались, как правило, в расчете на снижение издержек на оплату труда при переносе сборочного производства из Европы и Азии или оптимизацию логистики за счет размещения производства рядом с рынком сбыта. Большое значение в ряде случаев имели политические мотивы: зарубежные компании, инвестируя в создание сборочных предприя­­тий в России таким образом демонстрировали лояльность российскому правительству, связывающему развитие высокотехнологичных отраслей с приходом зарубежных инвесторов. Взамен компании получали доступ к отечественным рынкам.
Организации отличаются высокой эффективностью операций, западными стандартами управления. При общей выручке, сравнимой с выручкой государственных организаций – около 150 млрд. руб., занято всего 12 тыс. человек. Это объясняется низкой долей добавленной стоимости, характерной для сборочных производств.
Поставщики-продавцы продукции (дилеры и дистрибьюторы). В настоящее время на российском рынке радиоэлектроники зарегистрировано около 600 фирм, а активно работают около 200 фирм-поставщиков отечественной и зарубежной продукции.
Рост емкости рынка приводит к появлению новых игроков, поэтому неудивительно, что увеличение потребности в радиоэлектронных компонентах и аппаратуре (в т.ч. импортных) привело к увеличению числа компаний, желающих поставить их от производителя до потребителя, т.е. стать «вторыми поставщиками». На сегодняшний день дополнительным необходимым условием деятельности «второго поставщика» являются дилерские соглашения с производителями.
Поставлять продукцию по заводским ценам могут только компании, работающие на дилерской скидке, поскольку вся ценовая политика «второго поставщика» также находится под контролем. Кроме того, эффективное выполнение других требований – по упаковке, отработке рекламационных актов, предоставлению технической информации – возможно только в случае, если «второй поставщик» очень тесно работает с производителем. Анализ показывает, что все серьезно работающие «вторые поставщики» являются официальными дилерами нескольких производителей электронных компонентов в России или за рубежом.
Любой поставщик, дилер – это фактор стабильности производства. Он синхронизирует и согласует товарно-финансовые потоки между потребителем и производителем. В рыночных условиях «вторые поставщики» – это единственный реально действующий механизм регулирования производства и распределения продукции.
Современная радиоэлектронная продукция используется почти во всех сферах деятельности человека: в медицине, образовании, телекоммуникациях, СМИ, для обеспечения обороноспособности и безопасности, на транспорте, в бизнесе и во многих других областях.
Условимся, что радиоэлектронная аппаратура (РЭА) – это обобщенное название технических средств для передачи, приема, преобразования и обработки информации с использованием электромагнитных колебаний и электронных процессов в различных средах. Понятие РЭА условно охватывает все виды радиотехнической аппаратуры, приборы ИК-техники, медицинской диагностики и прочие, использующие в качестве элементной базы изделия электронной техники. К РЭА также относятся: сложные радиоэлектронные системы (например, автоматического управления контроля, радиоуправления, электросвязи); радиоэлектронные комплексы (например, ЭВМ, радиолокационные станции, радиотелескопы, радионавигацион­­ная аппаратура), функционально-автономные радиоэлектронные устройствa (например, телевизионные приемники в сочетании с антенной).
В данной статье все данные по отечественному рынку РЭА 2012 года базируются только на официальной статистической информации, полученной из Федеральной службы государственной статистики (ФСГС) и Таможенной службы (ТС) РФ.
Отечественный рынок РЭА имеет три составляющие:
РЭА, произведенная в России;
экспортируемая РЭА;
РЭА, импортируемая в Россию.
Структура, объем и характеристика отечественного рынка РЭА в 2012 году показаны на рис.1 и в табл.1.
Необходимо отметить, что в разных источниках приводятся не согласующиеся между собой данные по объему отечественного рынка РЭА. Так в распоряжении Правительства РФ от 15.12.2012 №2396-р указывается, что объем рынка РЭА в 2012 году составил 930 млрд. руб., что эквивалентно 31 млрд. долл., при этом российские предприятия произвели товарной продукции на 12 млрд. долл. Данные, полученные из ФСГС и ТС РФ, свидетельствуют о том, что объем рынка составил 52,9 млрд. долл., при этом российские предприятия произвели продукции на 18,4 млрд. долл. Таким образом, цифры разнятся почти вдвое.
Провести качественный анализ рынка РЭА, опираясь на материалы ФСГС, невозможно из-за недоступности и неполноты материала. В официальных сводках ФСГС публикуется информация только по укрупненным группам товаров. Попытки получить более полные данные по номенклатуре произведенной продукции и предприятиям-изготовителям не увенчались успехом. Поскольку для анализа выполнения и разработки мероприятий по выполнению Госпрограммы развития РЭК необходимы объективные данные по отечественному рынку РЭА, то становится актуальным вопрос организации в стране достоверной и доступной для анализа статистической базы данных по производству и потреблению радиоэлектронной аппаратуры.
В основе решения этого вопроса лежит разработка алгоритма структурирования рынка РЭА по группам товаров в соответствии с кодами ТНВЭД и ОКПД (табл.2).
В результате проведенных преобразований мы получили оптимальное (для анализа) количество секторов рынка РЭА, объединяющих однотипные группы товаров и полностью гармонизированных по наименованию продукции с международными классификациями (кодами). Далее проанализируем отечественный рынок РЭА по трем его составляющим (отечественная, экспортируемая и импортируемая РЭА) в соответствии с полученной выше структурой секторов рынка по группам товаров. Результаты анализа структуры и объема рынка РЭА отечественного производства в 2012 году приведены в табл.3 и на рис.2.
Структура и объем рынка экспортируемой и им­пор­ти­руемой РЭА представлены на рис.3 и 4, соответ­ствен­но.
Обобщенные данные по отечественному рынку РЭА приведены в табл.4 и на рис.5.
Наибольшее количество импортируемой продукции (в процентном соотношении к отечественной продукции) приходится на товарные группы:
машины вычислительные;
связная и звуковоспроизводящая аппаратура;
устройства памяти;
ЭКБ.
РЭА этой номенклатуры отечественная промышленность либо не производит (устройства памяти), либо выпускает в малых количествах, до 20% от потребностей рынка.
Наиболее востребована на отечественном рынке РЭА следующих товарных групп:
машины вычислительные;
связная аппаратура;
радио-, телепередатчики, приемники;
электронная компонентная база;
промышленная РЭА, в том числе медицинская, автомобильная и др.;
трансформаторы, преобразователи.
Наиболее конкурентоспособной отечественной РЭА является продукция следующих товарных групп:
радиолокация;
радионавигация;
радио-, телепередатчики, приемники;
трансформаторы, преобразователи.
* * *
В заключение надо сказать, что Государственная программа «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы» ставит задачу увеличения к 2025 году доли отечественных радиоэлектронных изделий на внутреннем рынке до 40% и на мировом до 0,8%, т.е. за эти годы объем производства и реализации продукции отечественного радиоэлектронного комплекса должен возрасти до 40,0 млрд. долл. Для решения этой задачи потребуется не только в три раза увеличить производственные мощности, но и выработать маркетинговую стратегию отрасли, нацеленную на реализацию этой продукции.
Еще раз отметим, что в разных официальных источниках приводятся не коррелирующиеся между собой данные по объему отечественного рынка РЭА, что очень затрудняет его анализ. Выше приведен пример, когда цифры разнятся почти вдвое (данные ФСГС и ТС РФ). Провести качественное рассмотрение рынка РЭА по материалам ФСГС невозможно из-за их недостаточности и недоступности. Но, так как для анализа выполнения Государственной программы развития РЭК объективные данные по отечественному рынку РЭА необходимы, то вопрос организации в стране достоверной и доступной статистической базы данных по производству и потреблению радиоэлектронной аппаратуры остается очень актуальным.
ИСТОЧНИКИ
Таможенная статистика за последние три года, ООО «Бизнес Сервис».
Статистические данные ФГУП «ЦНИИ «Центра».
Электронные версии официальных публикаций Федеральной службы государственной статистики.

Рэа что это в электронике

С момента изобретения транзистора технология изготовления элементной базы радиоэлектронной аппаратуры стала доминирующей по отношению к ее схемотехническому проектированию. Именно технологические требования определили «цифровизацию» схемотехники. Под влиянием этих требований произошел сдвиг от аппаратных средств к программным. Развитие полупроводниковой технологии в некоторой степени описал закон Мура, физическая граница существования которого неизбежна. Так как же развивалась и развивается схемотехника радиоэлектронной аппаратуры от изобретения транзистора и до близкого заката закона Мура?

Ретроспективный анализ развития схемотехники, технологии и конструктивных реализаций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) позволяет выделить некоторые обобщенные группы аппаратуры. Аппаратура, входящая в одну и ту же группу, имеет общие характеристики, тогда как свойства аппаратуры соседних групп существенно различаются. Такие группы, формирующиеся, как правило, в течение достаточно продолжительного времени, принято называть поколениями РЭА. Наиболее характерным для каждого поколения РЭА следует признать набор активных и пассивных компонентов, на основе которых синтезируется аппаратура, поскольку этот набор отражает технологический уровень, конструктивную реализацию, а также возможность унификации различных блоков РЭА.

Исторически сложились следующие пять поколений РЭА:

* на основе вакуумных активных приборов, дискретных резисторов, конденсаторов и элементов индуктивности. Для этого поколения свойственен объемный монтаж активных и пассивных элементов и практически отсутствие схемотехнической и конструктивной унификации;

* на основе активных полупроводниковых приборов, дискретных резисторов, конденсаторов и элементов индуктивности. Здесь уже выполнялся печатный монтаж элементов и появилась схемотехническая и конструктивная унификация;
* на основе интегральных микросхем низкого уровня интеграции. Благодаря решению большого числа функциональных задач цифровыми методами для этого поколения характерна значительная схемотехническая и конструктивная унификация вплоть до появления базовых несущих конструкций (БНК);
* на основе больших интегральных микросхем и микросборок. Этому поколению присуща магистрально-модульная конструктивная реализация;
* на основе микропроцессорных комплектов БИС – поколение, большинство функций которого реализовано с помощью микропроцессорных программ. Осуществлена интеллектуализация магистрально-модульных конструктивов.

Между смежными поколениями аппаратуры, естественно, нет резких границ, поскольку новая компонентная база не сразу внедряется во все виды и классы РЭА, а соответствующие конструктивные инновации также обладают некоторой инертностью. Поэтому в полной мере все важные характеристики каждого поколения достигаются в середине срока жизни поколения.

Изобретение в 40-х годах прошлого века транзистора послужило революционным толчком к созданию аппаратуры второго и всех последующих поколений, поскольку n-p-n (p-n-p) переходы и сегодня в той или иной мере формируют твердотельную компонентную базу аппаратуры. Именно с момента изобретения транзистора выявляется приоритет технологии производства компонентной базы относительно схемотехники аппаратной реализации.

Причина активного внедрения в разработки РЭА транзисторов – не только снижение массогабаритных характеристик активных элементов, но и возможность их массового производства на одном кристалле в едином технологическом цикле с высокой идентичностью электрических характеристик. Естественно, при этом снижалась относительная стоимость каждого прибора.

Схемотехнические характеристики аппаратуры первого и второго поколений отличались незначительно. В основном, это были импульсные устройства, выполненные на основе мультивибраторов, триггеров различных типов, логических элементов, а также устройств согласования и усиления импульсных сигналов. Небольшое разнообразие элементарных функций позволило поставить вопрос о схемотехническо-конструктивной унификации элементов аппаратуры. В 1960-е годы эта задача была решена в результате разработки ряда унифицированных функциональных узлов (УФУ) в плоскостном исполнении и модулей ММ2 в объемном исполнении.

Идея интеграции активных приборов (транзисторов) и пассивных элементов (резисторов) на одном полупроводниковом кристалле позволила реализовать компонентную базу аппаратуры третьего поколения – интегральные микросхемы (ИС) [1, 2]. Конечно, на уровне импульсной схемотехники аппаратуры второго поколения для синтеза требуемых функций помимо транзисторов были необходимы и другие элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности. Но эти элементы с точки зрения полупроводниковой технологии нежелательны, поскольку занимают слишком большую площадь кристалла, а по своим электрическим характеристикам далеки от идеальных компонентов: резисторы имеют паразитные емкости, а у конденсаторов низкие значения тангенса угла потерь, т. е. велики утечки. Следовательно, для реализации всех возможностей полупроводниковой технологии необходимо было найти схемотехнические решения, позволяющие применять в основном активные приборы (транзисторы и диоды) и резисторы, позволяющие получать требуемые режимы работы активных элементов. В принципе такие решения уже существовали. Это – цифровая схемотехника, с помощью которой можно реализовать любую сколь угодно сложную функцию, имея набор необходимых и достаточных элементов, так называемых неизбыточных базисов: И, НЕ либо ИЛИ, НЕ. Более компактные схемотехнические решения той же функции можно получить с помощью функционально избыточного набора элементов И, ИЛИ, НЕ. Для синтеза и минимизации требуемых функций существовал достаточно хорошо разработанный математический аппарат в виде булевой алгебры и теории конечных автоматов. Все эти технологические, схемотехнические и теоретические предпосылки определили формирование компонентной базы аппаратуры третьего поколения в виде интегральных микросхем, в основном цифровых. Следует напомнить, что разработчики аппаратуры второго поколения синтезировали необходимые схемотехнические решения, опираясь, чаще всего, на опыт и интуицию, тогда как при создании РЭА третьего поколения стали широко применять автоматизированные методы схемотехнического проектирования.

Если сравнивать схемотехнические затраты на реализацию функций в импульсной и цифровой технике, то для последней эти затраты представляются весьма избыточными. Может быть, по этой причине цифровая техника практически не применялась в аппаратуре второго поколения. Например, для создания импульсного Т-триггера (счетного) необходимы два транзистора, восемь резисторов и четыре конденсатора (рис.1а). А, например, ТТЛ-схема такого же триггера на логических элементах И-НЕ (триггер Вебба [3]) требует 30 транзисторов (диод формируется путем объединения областей базы и эмиттера транзистора) и 24 резистора (рис.1б, в). Но определяющее достоинство интегральной технологии – относительное уменьшение размеров сопоставимых систем почти на два порядка.

Отечественная электронная промышленность, начав с разработки германиевых ИС типа Р-12-2 [4], довольно быстро освоила производство кремниевых ТТЛ-микросхем, содержащих только транзисторы и резисторы, т. е. набор элементов, практически близкий к идеальному для реализации в полупроводниковой технологии.

Требования разработчиков аппаратуры к характеристикам логических элементов, на основе которых проектируется аппаратура, достаточно противоречивы. Так, необходимо минимизировать время переключения элемента (максимизировать быстродействие), потребляемую им мощность и его физический размер (площадь, занимаемую на кристалле). Технологические разработки позволили создать ТТЛ-микросхемы с временем задержки распространения сигнала в элементе tз ≈ 1,5–2 нс, ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с переходами Шоттки) с tз ≈ 0,8–1 нс, ЭСЛ-микросхемы с tз > 0,1–1 нс [5]. Но платой за достигнутое быстродействие оказалась мощность, затрачиваемая логическим элементом (Рэ). Эмпирическая зависимость этих параметров описывается гиперболической функцией tз ≈ 1/Рэ, из чего следует, что Рэ ТТЛ-схем равна ~1 мВт, ТТЛШ – ~3–5 мВт и ЭСЛ – ~10–40 мВт.

Для получения интегрального показателя качества логического элемента было введено понятие – работа переключения Ап = Рэ · tз. Для основных типов логических элементов в достаточно широком диапазоне значений питающего напряжения, а следовательно, и потребляемой мощности Рэ значения Ап приблизительно одинаковы и составляют ~10-12 Дж.

Уменьшение значения Ап было достигнуто в результате создания логических элементов интегральной инжекционной логики (И2Л) [6], что позволило почти вплотную подойти к теоретическому пределу этого параметра, оцениваемому на уровне 10-15–10-18 Дж. К тому же, элементы И2Л – это схемотехнически идеальные компоненты с точки зрения технологической реализации, так как для их создания не требуются резисторы, занимающие на кристалле намного большую площадь, чем транзистор.

Дальнейшее развитие полупроводниковой технологии позволило получить не только логические элементы на биполярных транзисторах, к которым относятся все рассмотренные выше устройства, но и элементы на транзисторах со структурой металл–диэлектрик (или оксид)–полупроводник (МДП, или МОП). Уникальными в отношении потребляемой мощности стали логические элементы на комплементарных МОП (КМОП)-транзисторах. При частоте переключения 1–10 МГц рассеиваемая их мощность Рэ ≈ 10–20 мкВт.

С точки зрения цифровой техники (теории конечных автоматов) переход элемента из одного состояния в другое должен сопровождаться энергетическими затратами, т. е. работой переключения Ап. Но вот затраты на нахождение в некотором состоянии (упомянутая выше рассеиваемая мощность Рэ) могут рассматриваться как энергетические потери. Ведь существуют энергонезависимые ЗУ, не требующие энергетической платы за сохранение состояния памяти. Эта идея уже поднималась директором по технологической стратегии компании Intel П.Джарджини [7], который заметил, что в современных полупроводниковых структурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. Задача состоит в том, чтобы переместить эти электроны на некий заранее известный уровень без их потери и, при необходимости, вернуть их в исходное состояние. Таким образом, можно выполнять множество операций без потери электронов, затрачивая энергию только на изменение их состояния.

Разработка компонентной базы РЭА третьего поколения привела к созданию более крупных функциональных элементов цифровой техники, используемых во всех классах аппаратуры: триггеров различных типов – RS, D, T, JK; счетчиков; регистров (накопительных, сдвигающих); схем сравнения; сумматоров; дешифраторов; преобразователей кодов.

Проектирование комбинационных и последовательностных (регистров, счетчиков, генераторов чисел и других многоразрядных схем, построенных на элементах памяти) цифровых устройств на микросхемах с низким уровнем интеграции без учета влияния производственных и конструктивно-технологических факторов, а также параметров окружающей среды, зачастую приводит к функциональной неустойчивости аппаратуры. К производственному фактору следует отнести разброс значений параметра t3 логического элемента, к конструктивно-технологическому – разброс задержки сигнала в линиях связи, выполненных на печатных платах, шлейфах, кабелях. Изменение температуры, давления и влажности окружающей среды, а также инвариантность этих показателей усугубляют проблему обеспечения функциональной устойчивости аппаратуры.

Представим, например, что ракета находится на стартовой установке, в условиях, где температура окружающей среды может составлять 50°C. После старта за несколько десятков секунд ракета окажется в условиях стратосферы, и температура окружающей среды снизится до -50°C. Тепловые процессы в бортовой аппаратуре достаточно инертны, и поэтому градиент температуры различных частей аппаратуры, скорее всего, может составить 100°C. Задача разработчика РЭА состоит в том, чтобы и в этих условиях заданная функция аппаратуры реализовывалась устойчиво.

Синтезированная в аппаратуре по идеальной модели цифровых схем функция реализуется даже при ее моделировании на компьютере, но в реальных условиях, когда на работу аппаратуры влияют все перечисленные факторы, возможны сбои, которые нельзя устранить из-за многофакторности и непредсказуемости поведения большого числа логических элементов, объединенных в больших конструктивах. Поэтому были разработаны методы обеспечения функциональной устойчивости цифровой аппаратуры [8, 9], позволившие создать устойчивые типовые функциональные схемы различных устройств, обобщенные для разработчиков РЭА в стандарте ОСТ4 Г0.303.201 «Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры на микросхемах. Типовые функциональные схемы цифровых устройств.»

Относительная простота технологического выполнения и схемотехническая универсальность получения любой цифровой функции привели к разработке и серийному производству цифровых микросхем различных серий. Многие задачи, ранее решаемые аналоговыми средствами, получили возможность цифровой реализации.

По общему мнению специалистов, переход от РЭА первого поколения к РЭА второго поколения стал возможен благодаря революции в технологии изготовления полупроводниковых приборов. Развитие технологии, которое привело к повышению уровня интеграции микросхем, следует признать эволюционным. Правда, эта эволюция – явно нелинейный процесс, а скорее всего, экспоненциальный, поскольку в настоящее время некоторые параметры полупроводниковых изделий приблизились к физическому пределу. Так, в МОП-транзисторах нельзя уменьшать толщину затворного окисла менее 6 · 10-9 м, поскольку при столь малой толщине возможно туннелирование электронов через оксид, что приведет к неработоспособности транзистора. Компанией IBM разработаны логические элементы на базе эффекта Джозефсона с Ап = 10-16 Дж (теоретический предел этого параметра – 10-18 Дж).

Необходимость повышения уровня интеграции микросхем была обусловлена рядом причин. Во-первых, технологии изготовления микросхем и проектирования РЭА на их основе —встречно направленные процессы. Действительно, при производстве микросхем на кремниевой пластине изготавливается большое число структур будущих микросхем. На конечном этапе пластина разрезается на кристаллы, которые помещают в корпус. И здесь происходит конструктивная дезинтеграция. Размеры кристалла с микросхемой и корпуса, в который он монтируется, как минимум, отличаются на порядок. При создании РЭА микросхемы в корпусах устанавливаются на печатных платах, и происходит интеграция микросхем на новом уровне, но со значительными конструктивными потерями.

Во-вторых, при размещении на печатных платах цифровые микросхемы объединяются печатными проводниками узлов, а блоки и устройства на межблочном уровне – шлейфами, жгутами и кабелями. В силу резистивно-емкостных характеристик соединений возникает дополнительная задержка распространения сигнала, равная tз.св ≈ 0,07 нс/см.

При задержке сигнала в логическом элементе tз ≥ 10 нс можно считать, что

поэтому tз.св не учитывается при расчетах функциональной устойчивости РЭА. В математических моделях цифровых автоматов именно последнее соотношение является основополагающим для анализа и синтеза схемотехнических решений, свободных от различного вида состязаний сигналов, которые могут приводить к неустойчивым состояниям (сбоям в реализации переключательной функции).

Классический пример состязаний сигналов можно наблюдать в Т-триггере, построенном по MS-структуре (рис.2), где логический элемент D5 вступает в состязания с цепочками элементов D1–D3–D6 или D2–D4–D7. В такой схеме наблюдаются существенные состязания сигналов, при наличии которых первичная переменная (x, –x) вступает в состязания с вторичной переменной (y, –y). Возможный результат таких состязаний – неалгоритмическое состояние переменной (z, –z). Другая структура этого триггера (рис.3), синтезированная с применением противогоночного кодирования [8], при выполнении условия (1) позволяет получить функционально устойчивую схему.

С учетом того, что задержка переключения быстродействующих цифровых логических элементов, например на арсениде галлия, tз = 0,1–0,075 нс, не считаться с задержкой сигналов в элементах связи невозможно. Следует заметить, что в настоящее время математического аппарата синтеза цифровых автоматов, который бы позволял учитывать возможные в реальной РЭА значения tз.св, не существует.

Функциональная неустойчивость цифровых устройств проявляется при процессах перехода из одного состояния в другое. Если же получать информацию о начале и конце переходного процесса и, согласно этой информации, изменять состояния входов устройства только после окончания переходного процесса, вызванного предыдущим состоянием входов, то можно было бы обеспечить устойчивую работу цифрового устройства независимо от разбросов параметра tз. Такая идея была реализована в виде теории апериодических автоматов В.И.Варшавским [10]. Для определения моментов окончания переходного процесса были предложены так называемые гистерезисные триггеры (Г-триггеры). Фактически апериодический автомат работает устойчиво на предельно возможной скорости для данного набора логических элементов и данного значения дестабилизирующих факторов внешней среды. Однако и для апериодических автоматов требуется выполнение условия (1).

Частично проблему функциональной устойчивости в отношении параметра tз.св можно было бы решить, если реализовывать большие функциональные части на одном кристалле. Тогда относительно тонкие и короткие линии связи имели бы достаточно малую задержку и выполнялось бы соотношение tз >> tз.св.

Большое число логических элементов, расположенных на одном кристалле, изготавливается в едином технологическом цикле, и поэтому их параметры в значительной степени идентичны, в том числе уменьшается разброс ∆tз, основным следствием которого является возникновение состязаний сигналов различных типов. Кроме того, если считать, что стоимость технологической операции мало зависит от числа одновременно изготавливаемых логических элементов, то увеличение степени интеграции ведет к снижению относительной стоимости одного логического элемента. Все эти предпосылки способствовали появлению в качестве компонентной базы РЭА четвертого поколения микросхем с высоким уровнем интеграции – БИС. Более того, на первом этапе их разработки считалось, что стоимость программного обеспечения вычислительных процессов значительно выше стоимости их аппаратной реализации. Поэтому БИС могли служить достаточно дешевой заменой программного обеспечения аппаратными средствами.

Решение задач РЭА различных классов цифровыми методами привело к созданию общей компонентной базы, на которой строится аппаратура. Вместе с тем, каждый класс задач имеет свои особенности в части ввода-вывода информации, переходов на исполнительные и индицирующие устройства. Эти части аппаратуры оказались весьма проблемными или «неинтегрируемыми» на уровне РЭА третьего поколения. Однако успехи полупроводниковой технологии в области производства бескорпусных активных элементов и разработка методов изготовления качественных пассивных элементов по тонко- и толстопленочной технологиям позволили проектировать специализированные микросхемы на основе совместимых конструктивов – микросборки. Построение РЭА четвертого поколения на стандартных цифровых БИС и микросборках привело к весьма высокой конструктивно-технологической и схемотехнической однородности аппаратуры различных классов.

Относительно малое быстродействие первых цифровых БИС при необходимости работы аппаратуры различных классов в реальном масштабе времени привело к проектированию БИС, ориентированных на реализацию узкого круга функций, характерных только для РЭА одного класса. Это обеспечивало требуемое быстродействие компонентной базы, но стоимость проектирования и изготовления таких БИС небольшой серийности была достаточно высокой. Диалектика дальнейшего развития полупроводниковой технологии изготовления БИС позволила получить как сверхвысокое быстродействие логических элементов, так и огромное число логических элементов на одном кристалле (свыше 400 млн. шт.). Такие результаты позволили разработать микропроцессорные комплекты БИС (МПК БИС) и на новом витке развития вернуться к унификации схемных решений БИС, а проблему различия функциональных задач всех классов РЭА свести к разработке специальных программных средств. В этом случае высокая стоимость проектирования МПК БИС компенсируется большой серийностью их производства, что обеспечивает снижение их стоимости в расчете на одну БИС в корпусе.

Подтверждением последнего положения можно считать реально действующий до сих пор эмпирический закон Мура [11, 12], который констатирует, что каждые полтора-два года число транзисторов на кристалле одной микросхемы удваивается, а стоимость микросхемы падает в два раза. Но утверждение, касающееся уменьшения стоимости микросхемы либо нелогично, либо требует уточнения, поскольку, если через два года функциональная емкость микросхемы увеличится в два раза, то вряд ли ее цена упадет в два раза. Но если новая микросхема будет стоить столько же, сколько старая (два года назад), то относительная стоимость действительно снизится в два раза.

В связи с высокой динамикой роста числа транзисторов микросхемы проблемы синтеза требуемой функции смещаются в область программного обеспечения. Но вот статистика изменения быстродействия каждой следующей версии операционной системы Microsoft Windows показывает замедление этого параметра в полтора раза. В то же время другое следствие закон Мура указывает на удвоение тактовой частоты работы микропроцессоров. По закону Мура развивается и такая характеристика микросхем, как плотность транзисторов на кристалле. Под закона Мура подпадают не только микросхемы, но и другие средства – жесткие диски, аппаратные и программные средства компьютера. Если этот закон универсален, не является ли он частью философского закона всеобщего развития — диалектики? Но тогда в отношении ОС Microsoft Windows справедливо поставить следующие три вопроса:

* подчиняются ли поколения этих систем закону Мура по параметру быстродействия?
* почему изменение быстродействия поколения этих систем носит регрессивный характер?
* что получат пользователи микропроцессоров, а фактически, пользователи ПК, если прогрессивный характер развития аппаратных средств тем или иным способом будет взаимодействовать с регрессивным характером развития программных средств?

И, наконец, о возможных сроках действия закона Мура. Если бы это был естественный физический или социальный закон, он объективно не имел бы временных границ. Когда в 2005 году в одном из интервью Г.Мура спросили, как долго будет действовать его закон, он с юмором ответил: «…во всяком случае до тех пор, пока Мур будет что-либо делать». Деятельность корпорации Intel в рамках закона Мура позволила в 2005 году получить прогнозируемые результаты: процессор Itanium на платформе Montecito содержит 1,72 млрд. транзисторов. Но раньше или позже размеры транзисторов должны приблизиться к своим физическим пределам, что и определит временную область существования закона Мура. Математическое описание закона Мура в виде Ny = N0 2у/Рy, где Ny – число транзисторов в микросхеме через время y (в годах), N0 – исходное число транзисторов в микросхеме при y = 0, Py – период удвоения N0 (в годах), предложил Сорокин А.Д. (http//electrosad.narod.ru./Processor/ProcMooR.htm). Это выражение представляет собой непрерывную функцию, которая не имеет физического смысла внутри периода удвоения числа транзисторов, поскольку новые поколения микросхем вряд ли выпускаются каждый месяц. Поэтому более логичным представляется дискретное представление этой функции: Ny = N0 2nPу/Рy = N0·2n, где n = 1, 2, 3… – количество сроков удвоения числа транзисторов микросхемы, начиная с уровня N0.

Полученная формула описывает геометрическую прогрессию с весьма интенсивным нарастанием Ny, что может быть еще одним доказательством существования временной границы закона Мура.

А что же дальше? Диалектика гласит о спиралевидном развитии с некоторыми качественными скачками. Так вот один из возможных вариантов гипотетически высказал упомянутый выше П. Джарджини из компании Intel – далее следует организация передачи сигналов на уровне спина элементарных частиц с многократным использованием одних и тех же электронов. По другому предположению – это построение транзисторов на основе углеродных и кремниевых нанотрубок, но поскольку их диаметр составляет 1–2 нм, то это и будет физическим ограничением размеров транзистора, а в этом случае угрожающей становится проблема отвода тепла, образующегося из-за огромной концентрации рассеиваемой мощности.

В ближайшей же перспективе, можно полагать, что аппаратура пятого поколения на базе МПК БИС и микросборок, обладающая высокой степенью схемотехнической и конструктивно-технологической унификации, позволит реализовать весьма жесткие требования к различным параметрам РЭА при снижении стоимости ее проектирования и производства.

1. Kilby J.S. Semiconductor solid sircuits. Presented at American Roket Society Corp. —14-th Annual Meeting, Nov. 1959.

2. Pat. USA №2981877 Noyce R.N. Semiconductor Device and Lead Structure, 1961.

3. Patent USA N3374393, 1964. Webb J.E. Counter and Shift-register.

4. Малашевич Б.М. Первые отечественные интегральные схемы. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №5, с.108–117.

5. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1990.— 496 с.

6. Шагурин И.В., Петросянц К.О. Проектирование цифровых микросхем на элементах инжекционной логики. – М.: Радио и связь, 1984.— 232 с.

7. Chip News, 2005, №5 (98).

8. Пятлин О.А., Овсищер П.И., Лазер И.М., Кулешов А.И., Шубарев В.А. Проектирование микроэлектронных цифровых устройств. – М.: Советское радио, 1977.— 272 с.

9. Лазер И.М., Шубарев В.А. Устойчивость цифровых микроэлектронных устройств. – М.: Радио и связь, 1983.— 216 с.

10. Апериодические автоматы. Под ред. В.И.Варшавского. – М.: Наука, 1976.— 24 с.

11. Moore G. Progress in Digital Integrated Electronics. —IEEE, IEDM Tech. Digest, 1975.

12. Moore G. Lithography and Future of Moor`s Low.— Proc. SPIE 1975, v.2437.