С тех пор как ПК завоевал популярность, цифровая электроника проложила себе дорогу к самым простым бытовым устройствам, с которыми мы имеем дело ежедневно.
Стоит завести разговор об аналоговой электронике с инженером, как он тут же вообразит себе компьютер с электровакуумными трубками, старинные коротковолновые радиоприемники и прочее вышедшее из употребления оборудование — со сложными системами тумблеров, настроенных умелыми электронщиками. С тех пор как персональный компьютер завоевал популярность — сначала у немногочисленных поклонников, затем у офисных служащих, а потом и у большинства потребителей, цифровая электроника проложила себе дорогу к самым простым бытовым устройствам, с которыми мы имеем дело ежедневно.
Победа была быстрой и окончательной. В 70-х годах только самый необузданный мечтатель мог предсказать появление насоса на бензоколонке с электронным дисплеем, тостера с микроконтроллером или детской игрушки Фарби, которая подражает голосам и непринужденно беседует со своим собратом. Все эти устройства построены на принципах цифровой логики.
В чем же суть аналоговых устройств?
Если цифровая электроника продолжает завоевывать мир, почему мы, говоря о компьютеризации будущего, упоминаем аналоговые компьютеры? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, в чем причина популярности цифровой электроники. В цифровых приборах выходы каждого элемента подсоединены к шинам электропитания, например 0 и 5 В. Более того, в цифровых устройствах входной сигнал всегда представляет собой значение одного из двух уровней; схема ведет себя снисходительно и вполне соглашается с тем, что значения напряжения в 4,5 В почти близки к 5. Это облегчает проектирование микросхем: остается позаботиться лишь о том, чтобы на каждой шине было всего два значения напряжения. Цифровые выходные сигналы в основе своей чисты, следовательно, они подстраиваются под дискретные уровни сигнала.
Аналоговая же микросхема всегда обременена необходимостью учитывать наличие шумов. Аналоговые элементы не восстанавливают первичную форму сигнала. Зашумленный сигнал обрабатывается как полноценный, элемент схемы лишь слегка очищает его от шума или не очищает вовсе, что и видно на выходе.
Вот как характеризует подобный компромисс Крис Диорио, профессор Университета штата Вашингтон: «В цифровом компьютере из всего разнообразия состояний мы используем только два, достигая помехоустойчивости за счет кардинального сужения динамического диапазона».
Проектирование аналоговых схем
Чтобы реализовать какую-либо функцию, используя всего два уровня сигнала, требуется значительно больше компонентов, чем при наличии непрерывного диапазона уровней. Если бы у человека на каждой руке было только по одному пальцу, то для простого подсчета на пальцах ему понадобилось бы определенно больше двух рук. Так же и цифровые схемы требуют большего числа транзисторов и должны быть больше по размеру, чем эквивалентные аналоговые. В то же время усовершенствование процесса изготовления интегральных схем позволило снизить их стоимость и увеличить плотность транзисторов, поэтому с практической точки зрения стало более выгодным выпускать цифровые схемы. Сегодня наибольшие затраты при производстве приходятся на разработку схемы, а не на ее изготовление. Цифровая логика легко формализуется, что позволяет проектировщику быстрее воплощать идеи в жизнь.
Столь заманчивая простота стимулирует развитие цифровых устройств. Сверхбольшие аналоговые интегральные схемы в отличие от технически зрелых цифровых остаются уделом искусников. Каждая сколько-нибудь крупная фирма, специализирующаяся в области разработки аналоговых микросхем, исповедует собственный подход к использованию средств проектирования, со специфическими топологиями и имитационными моделями, которые удобны для их устоявшегося процесса производства. Аналоговые схемы хуже масштабируются, так как сочетают в себе больше видов динамических характеристик, чем типовой цифровой процессор.
Проблемы программирования только усиливают этот контраст. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) низводят разработку цифровых схем до уровня упражнений с обычными монтажными схемами. Для аналоговых же схем простор куда более широк: есть диапазон используемых значений сопротивления и обычно несколько типов активных элементов (скажем, транзисторов).
Стандартных, типовых подходов в аналоговых схемах куда меньше, чем в цифровых. Попытки просто имитировать способы разработки цифровых схем в аналоговых средствах разработки закончились неудачей: характеристики полученных устройств нельзя было и сравнивать. Следовательно, на проектирование корректно работающего аналогового устройства требуется значительно больше времени, чем на создание типового цифрового.
Потребляемая мощность
Однако скорость выхода продукта на рынок не всегда самый важный момент при конструировании приборов. Уровень потребляемой мощности становится ограничивающим фактором в большинстве систем, особенно в переносных электронных устройствах. В этой области аналоговые устройства имеют явный приоритет. Меньшее число элементов означает меньший объем потребляемой мощности. К тому же значительные ресурсы требуются для поддержания уровня сигнала при переносе с одной шины на другую. Уменьшение амплитуды несколько улучшает ситуацию. (В связи с этим рабочее напряжение в цифровой логике постепенно понизилось с 5 В до 1,8 В.) Вдобавок ко всему аналоговое устройство, в котором используется полный диапазон выходных напряжений, всегда будет иметь более высокий КПД, чем цифровое.
Благодаря таким неоспоримым достоинствам аналоговые схемы переживают что-то вроде ренессанса. Интерес к ним растет и в промышленности (где спрос на аналоговые схемы сильно превышает предложение), и в исследовательских лабораториях, таких как, например, группа Physics of Computation в Калифорнийском техническом университете. Участники группы пытаются воплотить в кремнии идеи, рожденные в процессе изучения нервной системы человека.
Аналоговая схема — кремниевый нерв?
Биологические нервные системы можно уподобить близким к совершенству аналоговым схемам. Несмотря на то что способ действия основных вычислительных блоков нервных систем не до конца понятен, их поведение можно довольно близко воспроизвести на кремнии и попытаться извлечь из этого максимальную пользу. Именно такую цель и поставили перед собой исследователи из Калифорнийского технического университета.
Например, нервная система производит большую часть вычислений в синапсе, области контакта нейронов. При изменении физической структуры или концентрации химических веществ в данной области происходят своего рода адаптация и обучение. Воспроизведение этой функции требует большого количества КМОП-транзисторов, да и вообще труднодостижимо.
Вместо этого группа занялась модификацией основной структуры КПОМ-транзистора, чтобы создать неразрушаемый при отключении питания вариант обучающегося синапса на одиночном транзисторе.
Его структура представляет собой одиночный трехвыводной прибор. Его способность к адаптации обеспечивается за счет плавающего затвора — он может удерживать заряд в течение многих лет. Чтобы его запрограммировать, следует использовать два традиционно относимых к паразитическим или незначительным физических эффекта: инжекцию горячих электронов, чтобы придвинуть электроны к затвору, и электронное туннелирование, чтобы убрать электроны.
Видящие и слышащие микросхемы
Кроме нейронов участники группы Physics of Computation разработали кремниевый вариант передней части ушного лабиринта и сетчатки глаза. На начальном уровне оба ушных лабиринта — как биологический, так и кремниевый — выполняют преобразование частота — координата: любая уникальная частота звука, воспринимаемая ухом, преобразуется в импульс на специфическом нерве (биологический лабиринт) либо на определенном выходном участке (кремний). Кремниевый ушной лабиринт использует для выполнения этой функции уникальную топологию. Например, транзисторы обычно создаются в кремниевой яме, с уровнем потенциала, привязанным к земле, чтобы обеспечить относительно свободную от шума среду, а напряжение, прикладываемое к затвору, должно быть смещено выше определенного порога (приблизительно 0,6 В), прежде чем оно станет считаться рабочим.
Кремниевый ушной лабиринт действительно использует эту яму в качестве входа для понижения активной межэлектродной проводимости и получения более широкого линейного участка характеристики, которая важна для точного воспроизведения бесконечного многообразия звуков реального мира. Обычный транзисторный усилитель может допускать разность потенциалов на контактах не более нескольких милливольт, с превышением же этого значения выход станет нелинейным или пробьет шину электропитания (подобно тому, что происходит при работе цифровой схемы). Усилитель же, используемый в ушном лабиринте, может работать в диапазоне целого вольта без потери линейности.
Перспективы аналоговых приборов
Когда эти приборы войдут в обиход? К сожалению, несмотря на успехи исследователей, это произойдет не скоро. Опытные приборы были изготовлены с применением специального техпроцесса. Перенести макет из него в промышленный техпроцесс, используя обычные средства разработки, очень трудно. Сегодняшние проблемы, с которыми сталкивается компания Sony при развертывании массового производства микросхем для игровой консоли PlayStation 2, — яркий тому пример. Схемы, основанные на паразитных эффектах, требуют еще более осторожного обращения. Новые технологии обработки могут менять амплитуду паразитного эффекта на порядок и более.
Следует добавить, что демонстрация готовых решений не гарантирует их немедленную коммерческую востребованность. В академическом мире единственная удачная демонстрация стоит предыдущих неудач. Но промышленное производство должно опираться на технологию, которая сможет удовлетворить достаточно жестким заводским требованиям. Средства проектирования даже обычных аналоговых схем, не говоря уже о приборах, еще очень незрелы. Верификация микросхем средствами цифрового проектирования является более совершенной процедурой. Аналоговые схемы грешат низким процентом годных, а иногда и просто неудачами.
Тем не менее потребность в маломощных приборах есть. Со временем наверняка найдется человек, который сумеет обойти суровые правила, диктуемые разработчиками цифровых устройств. «Грубая сила», используемая сейчас в цифровых плейерах, уступит место корректным аналоговым методам. Тогда и сместится чаша весов в пользу аналоговых приборов. Сотрудники лаборатории Physics of Computation подчеркивают исследовательский характер своих работ. Однако, возможно, уже в недалеком будущем появится фирма, которая сумеет предложить серийную технологию аналоговых приборов.
Сравнение элементов аналоговой и цифровой схем
 | Цифровые компоненты (a) толерантны к шуму: независимо от того, есть ли шум на входе, на выходе все будет нормально. При идеальном сигнале на входе (b) аналоговый выход также относительно свободен от шума. Однако когда шум появляется (c), аналоговая схема обрабатывает его вместе с сигналом. |
 |