Как рождаются компьютеры 2/3
Читать первую часть.
Источник: журнал «Техника – молодёжи», №10, 1976 год.
II. От проектирования до изготовления
– Виктор Михайлович, в прошлом номере «ТМ» вы рассказали об отдельных этапах создания автоматизированной системы проектирования ЭВМ, которая была разработана в вашем институте. А как выглядит сам процесс проектирования, как рождаются новые компьютеры?
– Процесс автоматизированного проектирования компьютеров расчленяется на ряд этапов. В прошлый раз я рассказывал о них не в той последовательности, в какой на практике создаётся новая машина. Реальный же ход событий таков. Сначала я обдумываю конфигурацию систем и применяю тот метод имитационного моделирования, о котором говорил в прошлый раз. Это позволяет выбрать лучший вариант и разработать связи между системами.
Затем начинается этап так называемого логического, или алгоритмического, проектирования. Тут я начинаю «влезать» в крупные блоки и решать, какую кому доверить роль, – скажем, центрального процессора, большой памяти или ещё чего-то, и объясняю компьютеру-проектировщику, как лучше всего организовать систему команд. Я «втолковываю» ему, какие команды должен выполнять каждый блок, как должен преобразовывать информацию.
Математический аппарат для всего этого впервые в мире был разработан нашим институтом.
Когда эта стадия заканчивается, я начинаю заниматься связями отдельных элементов, так называемым функциональным проектированием, основы которого были заложены ещё в теории автоматов. И наконец, последний этап – технологический, уже заводской, при котором надо, чтобы интегральные схемы, монтажные таблицы и многое другое было изготовлено в натуре.
Как видите, наша автоматизированная система, хотя и с основательной помощью человека, прекрасно справляется с проектированием компьютеров. Всю дальнейшую работу над этой системой мы ориентируем на то, чтобы проектировщик мог как можно больше функций передать компьютеру. Сейчас человек делает первичный замысел на первом уровне имитационного моделирования. После того как от машины получен результат моделирования, человек обдумывает его и, если необходимо, даёт соответствующие рекомендации. Вполне понятно, что это должен делать очень квалифицированный специалист.
Сейчас мы как раз и работаем над облегчением задачи проектировщиков, стараемся ввести в нашу систему какие-то оптимизационные блоки. Вы знаете, что есть ряд традиционных, более или менее стандартных ситуаций, с которыми машина прекрасно справляется сама. Мы стараемся расширить количество таких, отлично понимаемых компьютером ситуаций. И я уверен: дальнейшее развитие автоматизации проектирования, как и применения компьютеров в других областях, будет нацелено на то, чтобы человеку оставалось только давать общий замысел и оценивать полученные результаты.
– То есть недалеко то время, когда автоматизированная система все будет делать сама?
– Я не утверждаю, что это произойдёт завтра. Но могу сказать точно: конечный результат любой автоматизации таков, что человеку будет достаточно просто дать задание типа «а хорошо бы создать машину, способную делать то-то и то-то». А уж потом, когда компьютер-проектировщик всё выполнит, человек просто спросит: а как же новая, ещё не родившаяся машина должна работать? Компьютер объяснит. И если что-то окажется не совсем так, как задумывалось, то человеку придётся признать, что он плохо сформулировал задание (а такое случается довольно часто) и должен внести свои замечания и дополнения. Компьютер, учтя их, приступит к «перекройке».
Как видите, человек будет вмешиваться только, так сказать, на входе и выходе. Но, честно говоря, до этого пока очень далеко. И дело не только в несовершенстве нашей системы. Просто все мы, высказывая то или иное желание, очень редко задаём точные условия. И, как правило, формулируя их, не можем точно предусмотреть, как они будут исполнены. Одна из главных задач, которая стоит и будет стоять перед человеком при любом уровне развития автоматизации, – правильно формулировать задание. Мы должны точно выражать, что хотим от автоматизированной системы, а уж потом проверять полученные результаты и придавать им, так сказать, юридическую силу.
Пока роль человека заключается ещё и в том, чтобы на всех этапах вносить творческий элемент, то есть делать то, что сейчас плохо поддаётся автоматизации. И в этом ему помогают интуиция, опыт, которых компьютер, как правило, не имеет. Мы уже начали изготовлять ЭВМ, накапливающие опыт, но одно дело длительная история человечества, а другое – история развития компьютеров. Это, мягко выражаясь, чуть-чуть меньше. Мы ведь только собираемся отмечать двадцатипятилетие развития электронно-вычислительной техники в нашей стране.
В процессе усовершенствования нашей системы постоянно будет меняться понятие творчества. То, что мы сегодня считаем процессом творческим, со временем станет чисто механическим и будет передано машине. Изменится не только компьютер, но и человек из хорошего специалиста превратится в творческую личность. Приведу такой пример. Ещё не так давно защищалось немало диссертаций, в которых придумывался наилучший способ реализации какой-то операции, скажем сокращённого деления в машине. Это считалось творческой работой очень высокой квалификации. Люди тратили много времени, ища новые идеи. А сейчас с помощью новой алгебры мы делаем это автоматически, причём гораздо лучше, чем любой творческий работник.
У меня в отделе стоит обычный телетайп. Если нужно приступить к проектированию, я сажусь за него и работаю на тех языках, о которых говорил. Компьютер же, стоящий в совершенно другом месте, подсказывает что-то мне, я – ему, и, таким образом, рождается новая вещь. Как видите, уже сейчас автоматизированное проектирование выглядит чем-то не совсем реальным, словно сошедшим со страниц научно-фантастического произведения. Хочется, чтобы вы поняли и другое. Создавая эту систему, мы преследовали цель не только убыстрить проектирование новых ЭВМ, но и приблизиться к созданию искусственного интеллекта. А для того чтобы воплотить эту идею в жизнь, чтобы научиться строить всё более и более сложные компьютеры, наша система просто необходима, без неё нечего и мечтать о создании машины как сегодняшнего, так и завтрашнего дня.
– Виктор Михайлович, проектирование проектированием, однако мы начали нашу первую беседу с заводов-автоматов. Да и сегодня вы, говоря о заключительном этапе автоматизированного проектирования, назвали его технологическим. Из этого нетрудно сделать вывод, что и изготовлять компьютеры надо на автоматических предприятиях.
– Вполне справедливо. Все дело в том, что компьютеры постоянно усложняются. Я помню то время, когда мы делали машину МЭСМ. Память была всего сто регистров, каждый из которых имел тридцать два разряда. Там было три тысячи электронных ламп, а значит, и соединилось три тысячи элементов. Сейчас все это уместилось бы в крохотной микросхеме.
Пока мы соединяли между собой считанные тысячи элементов, годились и старые методы, чтобы выяснить, как лучше проложить провод, и тому подобное. Когда же появились интегральные схемы, когда на маленьком кусочке кристалла нужно уместить огромное количество элементов, а потом соединить их специально напылёнными микрополосочками, которые и видны-то только под микроскопом, делать это стало гораздо сложнее. Потребовалось разработать совершенно новый подход к проектированию интегральных схем, технологии их изготовления.
– Так как же изготовляются столь маленькие детальки, многие из которых, как вы сказали, можно разглядеть разве что под микроскопом?
– Сначала я представляю, что передо мной большой лист бумаги, и говорю: здесь вот сделаю такой-то квадратик, напылю кусочек, например, индия или галлия на германиевую пластинку, сюда поставлю следующий элемент, тут ещё что-то и так далее. Когда я нарисую эти несколько соединений, то перефотографирую получившийся чертёж. Фотография же после превращается в так называемый фотошаблон. Затем делается маленькая маска, в которой весь рисунок вырезан в виде отверстий. Её укладывают в ионную пушку и начинают распылять, скажем, тот же индий. Проходя сквозь маску, он осаждается именно в тех точках, которые были запроектированы. Ну а потом вставляется новая маска и осаждается другой металл.
При изготовлении интегральных схем таким способом вкрадывалось немало ошибок. А после того как маска уже сделана, переделать её очень трудно, и начинает идти брак, выявить который потом бывает нелегко. Возникла неотложная задача автоматизировать проектирование уже после того этапа, когда выяснилось, что с чем надо соединять. Машина должна сама вычерчивать все то, о чем я говорил, то есть как должны идти линии соединений, как они будут пересекаться, чтобы не мешать друг другу.
Необходимо было разработать и новую технологию изготовления самих интегральных схем. Нам удалось заглянуть в глубь физических процессов, происходящих при взаимодействии электронных пучков с веществом, раскрыть механизм и кинетику локального воздействия потоков заряженных частиц на полупроводник. В результате исследований были разработаны новые методы микрообработки материалов, бесконтактного электронно-зондового контроля некоторых технологических операций.
Над решением этих вопросов работали как многие мировые фирмы по производству компьютеров, так и наши конструкторские бюро и заводы. Особенно напряжённым поиск стал, когда перешли к машинам третьего поколения. Вычерчивая и изготовляя всё старыми методами, просто нельзя было в разумные сроки спроектировать и сделать компьютер.
Работа требовала срочной автоматизации. Причём никакой хитрой математики здесь нет: обычные геометрические построения. Нужны были очень простая логика и одновременно довольно сложные программы. А чтобы все нормально работало, требовался язык, на котором можно было бы объяснить компьютеру, что с чем следует соединять. Для этой цели в довольно короткие сроки нашим институтом была создана специальная управляющая машина «Киiв-67». Она полностью сияла остро стоявшую перед технологами проблему автоматизации не поддающихся ручному управлению электронно-лучевых термических процессов. Был создан комплекс уникальной аппаратуры для их реализации, по своим параметрам не имевшей в то время аналогов в отечественной микроэлектронике и превосходившей известные зарубежные системы. Кроме того, была разработана и передана промышленности машина «Киiв-70», открывшая возможности использовать электронно-литографские технологические процессы при производстве интегральных схем.
Разработка этих машин основывалась на глубоких физико-технологических исследованиях. В результате определились диапазоны регулируемых параметров тонких технологических процессов, нашлись оптимальные методы управления ими. Были реализованы языки программирования, эффективные и удобные для человека. В итоге мы создали принципиально новые электронные приборы и интегральные схемы с такими высокими характеристиками, которые невозможно получить другими известными путями.
– А как руководят компьютеры изготовлением схем?
– Каждая из команд наших машин имеет следующий вид. Первая их часть – условное наименование геометрического объекта: ряд точек или решётка из них, квадрат, круг, полукруг, дуга окружности... Просто пишется, что это такое, и машина прекрасно понимает. Вторая часть команды – размеры: окружность с центром в такой точке такого-то радиуса. Третья же часть – технологическая, показывающая, сколько куда нужно дать электрических импульсов, чтобы получилось то, что нужно.
Самое интересное во всей этой системе, что она не только облегчает программирование интегральных схем, но и прямо управляет электронным, ионным или лазерным лучом. Если это луч лазера, то вам даже не нужно ничего вычерчивать: подчиняясь командам машины, он сам вырезает соответствующие отверстия в фотошаблоне. Однако с помощью электронно-ионной технологии можно поступать ещё проще. Шаблоны при таком способе и вовсе ликвидируются. Если вам скажем, нужен индий, то он сразу напыляется на всю пластинку. Она небольшая: один на один миллиметр, самое большее – пять на пять. После того как металл напылён, компьютер водит электронным лучом и снимает лишний слой. Это напоминает один из способов, которым иногда пользуются художники, выскабливая нужный им рисунок на закрашенной чёрной краской бумаге. Получается так, что убирается всё лишнее, а остаётся только самое необходимое.
Если потом нужно напылить, скажем, слой меди, то всё повторяется в прежнем порядке – напыление и выжигание лишнего. Но и это не всё. Существует ещё один метод, при котором ионы металла осаждаются именно в той точке, в которой это необходимо. Общее во всех этих способах одно – человек с помощью компьютера напрямую управляет технологией. И на сегодня это самая точная технология из всех, что имеются в распоряжении специалистов.
– Виктор Михайлович, а не пытались ли вы определить, насколько автоматизированное проектирование сокращает время разработки новых компьютеров?
– Ответить не так просто. Возьмите хотя бы такой этап, как имитационное моделирование. Здесь всё зависит в основном не столько от компьютера, сколько от работающего с ним человека Я понимаю, каждому хочется, чтобы всё было прекрасно. А ведь критериев для определения что хорошо, а что нет, или что рационально, а что не очень-то выгодно, существует много. Вот вы, например, сделали так, что очереди в какой-нибудь парикмахерской никогда нет. Но посмотрели: обходится-то это слишком дорого. Стали удешевлять – опять очереди появились. И так может повторяться много раз.
Поскольку окончательные критерии можно в принципе выбирать сколь угодно долго, то все зависит от того, когда вы наконец остановитесь. И тут, как и в сфере управления, обязательно должно присутствовать волевое начало. Улучшать все время нельзя. Когда-то необходимо поставить точку, принять окончательное решение. Иначе получится, что время дороже, и бесконечное улучшение сделает поиск невыгодным.
То же самое происходит и при работе с нашей алгеброй. Машина по подсказке человека все время старается улучшить проектируемый компьютер. Но где-то мы должны остановиться, сказав: для тех задач, что мы поставим перед компьютером, он уже достаточно хорош.
Отвечая на ваш вопрос, могу сказать: мы довольны тем, что, как правило, пользуясь нашей системой (несмотря на резкое усложнение проектируемых компьютеров, нередко в десятки, сотни раз), срок разработок не только не увеличиваем, но и уменьшаем. При этом исходим главным образом из конечного срока разработок. Сейчас электронно-вычислительные машины стареют за пять-шесть лет, и проектировать их не только двадцать, но даже пять лет нельзя. Разумный срок год-полтора. Если нужны какие-то цифры, то я думаю, что с помощью нашей системы сроки проектирования сократились по сравнению с прежними в 7-10 раз, плюс к тому повысилось качество и значительно снизилась себестоимость рождающихся компьютеров.
Спроектировать такую машину, как те, что делались несколько лет назад, мы могли бы и за две недели. Спроектировать, но не изготовить. Ведь производство-то пока далеко не всё автоматизировано. Возьмите хотя бы такие операции, как изготовление шкафов... Тут всё делается примерно так же, как и десять лет назад. Слишком много ручной работы. Нам поэтому просто нет смысла убыстрять проектирование. А раз так, то я могу перебрать большее число вариантов, сделать конструкцию лучше.
– Виктор Михайлович, рассказывая в своё время о заводах-автоматах, вы говорили, что проектирование будет осуществляться прямо на предприятии. Пока же, насколько я понял, проектируется новый компьютер в конструкторском бюро или научно-исследовательском институте, а изготовляют его совсем в другом месте. Не знаю, прав ли я, не мне кажется, что это замедляет время рождения нового компьютера.
– Вы правильно ставите вопрос. Из-за разрыва между заводом-изготовителем и КБ создаётся огромный поток документации. Её объём сегодня нередко превосходит объем самой машины. Скажем, если наша ЭВМ «Мир» размером примерно с письменный стол, то техническая документация на неё, уложенная на той же площади, достанет до потолка. Это позволяет полушутя-полусерьёзно сказать, что описание нередко становится сложнее, чем сама конструкция. Во всяком случае, внешне. А ещё всю эту документацию надо изготовить и переправить на завод.
Учитывая все это, мы и постарались автоматизировать приготовление хотя бы части этой документации. Однако из-за нынешних стандартов некоторые вещи потом всё-таки приходится переделывать. Так, например, у нас нередко бывали случаи, когда, допустим, банк не принимает на оплату документ, отпечатанный прямо на компьютере, который выдаёт документ несколько иного формата, чем принято, да и шрифт у него другой.
Да, в идеале машина должна стоять прямо на заводе и принимать по каналам связи подготовленную в КБ документацию. Мы сейчас и пытаемся сделать этот связующий элемент.
Нашей ЭВМ «Kиiв-70» не надо ватмана, да и никакого чертежа вообще. Просто автоматизированная система проектирования высшего уровня задаёт, что и как надо соединить на схеме, а ЭВМ выдаёт технологический режим обработки. И сразу можно приступать к изготовлению схемы, то есть ликвидируется этап подготовки технической документации. Хотя заранее хочу оговориться, что это возможно только в интегральных схемах, которые изготовляются с помощью электронной или ионной технологии.
В изготовлении компьютеров есть и другие этапы. Интегральные схемы монтируются на платы, их надо соединить между собой. Для этого существуют полуавтоматы, пистолеты, наматывающие проволоку. Человек вставляет такой пистолет, и тот все делает практически сам. Но человеку нужно расписать, какой проводник куда прикрутить. Так что документы пока необходимы.
– Но когда-нибудь и этот процесс будет полностью автоматизирован? Не вечно же проводники будут наматываться и присоединяться «дедовским» способом.
– Конечно, со временем так и будет. Идеальный уровень автоматизации в том и заключается, что у нас возникнет своего рода непрерывная цепь: автоматизированное проектирование, разработка технологии и изготовление готовой продукции. Последним этапом будет автоматическая проверка на соответствие объекта требуемым условиям. Разве этот полностью завершённый автоматизированный цикл не напоминает вам мой рассказ о заводах-автоматах завтрашнего дня? Кстати, автоматизированной проверкой, как вы, наверное, поняли мы тоже много занимаемся. Этап этот довольно кропотливый и сложный. Кое-что нам уже удалось связать друг с другом, но пока ещё далеко не все.
Я прекрасно понимаю, что для некоторых технологических процессов, если мы хотим исключить из них человека, в будущем нужны будут роботы. Без них производство таких быстроменяющихся и сложных изделий, как компьютеры, станет просто невозможным, даже и с помощью человека.
Причём нужны будут интеллектуальные роботы, способные быстро перестраиваться, менять режим работы и производственные операции. Только с такими помощниками можно будет действительно автоматизировать все процессы рождения компьютеров, от замысла до выхода их из стен тогда уже завода-автомата.