Лекция № 1. Анализ перспектив микро-, нано- и оптоэлектроники, функциональной электроники.Природа глобального кризиса и роль фундаментальной науки: общий взгляд на проблему

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

 

Конспект лекций

для магистрантов специальности

6M071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2017

СОСТАВИТЕЛИ: И.Э. Сулейменов, И.Д. Козин, А.А. Куликов. Научно-технические проблемы радиотехники, электроники и телекоммуникаций. Конспект лекций для магистрантов научно-педагогической магистратуры специальности 6M071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2017. – 79 с.

 

Конспект лекций содержит сведения о современном состоянии в сфере нанотехнологий, также рассмотрены проблемы и перспективы развития систем связи космического базирования, навигации и пеленгации. Рассмотрены тенденции развития систем передачи аудио- и видеоинформации, методы сжатия видеоинформации. Представлены сведения о грид-технологиях и облачных вычислениях. В конспекте лекций подробно рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением электромагнитной совместимости радиотехнических средств.

Методические указания предназначены для магистрантов специальности 6M071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил.28, табл.3, библиогр. –31 назв.

 

Рецензент:

 

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2016 г.

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2017 г.

Содержание

 

1 Лекция № 1. Анализ перспектив микро-, нано- и оптоэлектроники, функциональной электроники. Природа глобального кризиса и роль фундаментальной науки: общий взгляд на проблему. 4

2 Лекция № 2. Качественное изменение характера функционирования электронных компонент при переходе к микро и наномасштабам. Нанотехнология: сверхзадачи 11

3 Лекция № 3. Развитие микро-, нано- и оптоэлектроники, их внутренних и внешних интерфейсов, сигнальных процессоров микроконтроллеров. Осуществление логических операций при помощи перемещения зарядов. 15

4 Лекция № 4. Пример молекулярного сумматора. 20

5 Лекция № 5. Макромолекула как нейронная сеть. 24

6 Лекция № 6. Современное состояние и перспективы развития систем связи космического базирования. 26

7 Лекция № 7. Проблемы и перспективы развития систем пеленгации и навигации 29

8 Лекция № 8. Тенденции развития систем передачи аудио- и видеоинформации. Структура и основные функции IPTV.. 37

9 Лекция № 9. Перспективы увеличения скорости, пропускной способности сетевых каналов. Алгоритмы сжатия видеоинформации. Стандарт сжатия видео MPEG-2, MPEG-4. 40

10 Лекция № 10. Распределенные вычисления. Архитектура сетей GRID. Облачные вычисления. 51

11 Лекция №11. Правила осуществления радиоконтроля в РК.. 59

12 Лекция №12. Испытание технических средств на ЭМС.. 64

13 Лекция № 13.Основные требования и методы испытаний ТС на устойчивость к различным видам помех. 68

14 Лекция № 14. Нормы и методы испытаний на помехоэмиссию различных ТС 71

15 Лекция № 15. Требования и методы испытаний на стойкость к внешним воздействиям и степени защиты корпусов (оболочек) РЭА.. 74

Список литературы.. 77

 

Лекция № 1. Анализ перспектив микро-, нано- и оптоэлектроники, функциональной электроники.Природа глобального кризиса и роль фундаментальной науки: общий взгляд на проблему

События последних лет отчетливо указывают на совпадение двух вполне определенных тенденций. Одна из них более чем широко освещалась в СМИ это – возникновение и стремительное развитие глобального кризиса, который первоначально интерпретировался исключительно как финансовый, и его последующее нарастание. Вторая из указанных тенденций также не составляет тайны – это резкое усиление внимания, которое мировые лидеры стали оказывать развитию фундаментальной науки.

Поворот «лицом к науке», проистекший за последние два-три года, носил, без преувеличения, взрывной характер. Еще несколько лет назад в высказываниях знаковых лидеров мировой политики основное место отводилось финансовой сфере; соответствующий сектор экономики рассматривался как доминирующий. Топ-менеджеры финансовых групп составляли (и продолжают составлять) значительную часть элиты [1, 2].

Совпадение двух отмеченных выше тенденций, затрагивающих мир в целом, разумеется, не может быть случайным. Оно определяется фундаментальными причинами.

Главную из них вкратце можно сформулировать так:«Глобальный кризис есть следствие кризиса мировой науки».

Причины, вызвавшие то, что было названо «кризисом мировой науки», а равно и его природа будут рассматриваться ниже. Вкратце изложим схему доказательства сформулированного выше тезиса.

В настоящее время общепризнано, что доминирующая роль в повседневном быстром управлении процессами, происходящими на планете, принадлежит именно финансовому сектору (в широком смысле этого термина). Здесь уместно процитировать заметку российского политолога и публициста Михаила Леонидовича Хазина, опубликованную порталом KM.RU от 31.12.2009:

«…на протяжении более 25 лет (четверть века!) большая часть доходов государства, большая часть рабочих мест, большая часть инноваций создавалась за счет финансового сектора! Его доля в совокупных доходах корпораций выросла до более чем 50% в общем объеме доходов корпораций, а доля промышленности, игравшей ключевую (более 70% ВВП) роль в середине ХХ века, упала почти до 15% — где-то до уровня 1/6 ВВП».

В той же заметке отмечается еще несколько любопытных фактов, которые известны достаточно широко, но наводят на вполне определенные мысли, будучи собранными воедино:

- «Последние десятилетия экономическую власть в Белом доме (в Вашингтоне, разумеется) традиционно представляют представители финансовой элиты, причем в подавляющем количестве – из одного банка, «Голдман Сакс»»;

- «…финансисты получили власть из рук промышленников не просто так, а в результате жесточайшего кризиса начала 30-х годов прошлого века, который завершился так называемой Великой депрессией. Тогда, в 1929–1932 годах, президентом США был инженер по первой профессии, Герберт Гувер. Сегодня президентами США становятся адвокаты и профессиональные политики...».

Однако, даже ведущие политологи, будучи гуманитариями по основному образованию, не уделяют должного внимания причинам, в соответствии с которыми финансовый капитал занял лидирующие позиции в мире (при этом стоит подчеркнуть, что в данном случае «лидирующие позиции» означает не просто возможность получать большую часть прибыли, но возможность оказывать решающее влияние на процессы, без преувеличения, планетного масштаба, т.е. речь идет именно об управлении всей системой).

Попытаемся их раскрыть. Тем более, что сегодня можно дать максимально простую картину, поясняя, почему современный кризис действительно носит системный характер.

Итак, основное средство управления современной цивилизацией – это деньги, существующие в форме кредитов. Они обеспечивают постройку новых заводов, спуск на воду новых судов, разведку и добычу нефти.

Однако кредитование как институция будет работать только тогда, когда есть условия для получения, мягко говоря, значительной прибыли, что всем очевидно. Менее очевидно другое – откуда эта прибыль может взяться? Если посмотреть в корень, то даже беглый анализ любого по-настоящему крупного источника прибыли показывает, что в итоге за ним всегда стояло соответствующее научное открытие или техническое решение, но отнюдь не ипотека или иные денежные средства «рядовых» заемщиков. Сверхприбыли нефтяных магнатов не были бы возможны, если бы кто-то до этого не придумал крекинг и двигатель внутреннего сгорания. Какая могла бы быть радиоэлектронная промышленность, электроэнергетика и т.п. без уравнений Максвелла и открытий Фарадея? Даже фантастическое по уровню сверхприбыли предприятие – грабеж колоний Испанской Империей и ее преемниками не стал бы возможен, если бы кто-то до этого не изобрел мушкет, корабельную оснастку и … не написал уравнения, описывающие траекторию полета пушечных ядер. А ведь для этого предприятия еще нужна была оптика – основа подзорных труб и других навигационных приборов, гидродинамика и многое, многое другое. Всем это вроде бы было известно всегда, но почему-то редко звучит вытекающий из общеизвестных фактов вывод.

Современная банковская и финансовая система сложилась в период стремительного освоения колоний и бурного развития науки, когда открытия, обеспечивающие в том числе, географическую экспансию, сыпались как из рога изобилия. В результате, сложившаяся финансовая система устроена так, что без сверхприбылей существовать она просто не может. Особенно тяжело ей приходится сейчас, когда финансовый сектор востребовал значительный кадровый потенциал (брокеры, финансовые менеджеры и т.д.). Существование кадрового избытка в этом секторе была оправдано только в период бурного роста. В условиях спада, массовое увольнение с работы грозит социальным взрывом, тем более, что работники финансового сектора привыкли ко вполне определенному уровню жизни и не согласны им поступаться. Управляющее звено осознало, что что-то надо делать.

Ипотечные кризисы со всей наглядностью показали, что сложившаяся финансовая система весьма хрупка, и устойчиво она будет работать только тогда, когда есть серьезный буфер, т.е. именно источник сверхприбыли (а не ограниченных поступлений от покупателей недвижимости или автомобилей), о чем и говорилось выше. И это вроде бы тоже очевидно, но тогда надо сделать последний, самый существенный вывод, который пока почему-то не сделал никто.

Наука европейского образца (а другой на этой планете, с тех пор как эмир Боабдиль покинул свой дворец в Гранаде, не существует) и современная кредитно-банковская система комплиментарны друг другу – это сиамские близнецы, а точнее, симбионты. Они породили друг друга где-то в глубине веков, шлифуясь в покоях португальского инфанта Энрике (Генриха Мореплавателя), который – с помощью собранных по всей Европе ученых – тогда еще только планировал первые экспедиции к берегам Черного Континента. Симбиоз складывался столетиями, оттачиваясь на заседаниях Королевского Общества в Лондоне и преемниками энциклопедистов, перешедших на службу к Наполеону Бонапарту. Этот симбиоз – тому свидетелем вся Новая история – продемонстрировал фантастическую эффективность. Кредиты банков шли на внедрение все новой техники, превращаясь в заводы, железнодорожные ветки, суда, самолеты, снаряженные армии. Новую технику и новые идеи в избытке поставляла наука, щедро субсидируемая правительствами, отлично понимавшими, что и зачем они делают. Наука поставляла источник сверхприбыли для банков, банки – через свои финансовые инструменты обеспечивали выбор наиболее эффективных путей внедрения новых разработок.

Pax Britanica к началу 20-го столетия окончательно оформил status quo; внутри системы шли сражения, но сама она казалась незыблемой. Не будем углубляться в историю, но через сто лет выяснилось, что она почему-то стала работать не так и хорошо, если не сказать – скверно. Причины стали понятны теперь, спустя 25 лет после распада СССР, когда можно твердо утверждать, что в противостоянии Страны Советов и США не победил никто, точнее проиграли обе стороны. Суть дела, как всегда, оказывается прозаичной. Говоря предельно упрощенно, США гипертрофировали роль рынка, СССР – науки, как одной из высших ценностей, некоего «символа веры». Руководство и той и другой страны не приняли во внимание, что сиамские близнецы, а точнее симбионты, не могут существовать по отдельности.

Относительно СССР можно и не говорить подробно. Самая лучшая в мире организация образования (по крайней мере, если говорить об естественных науках), поставлявшая надежные кадры для целой армады научных институтов военно-промышленного комплекса, самая большая в мире танковая армия и непревзойденные по изяществу технических решений ракетно-космические системы оказались бессильны против «The Beatles» и американских джинсов - то есть товаров, сервисов и главное символов массового потребления.

«Вместо пуль врага сразят доллары» - этот тезис, выработанный на Уолл-стрит, оправдал себя в полной мере.

Но … доллары оказались очень коварны. По науке Соединенных Штатов, а следом и по науке всего мира, со всей силой ударил кризис «коротких» инноваций. Его причины также предельно ясны. Если заставить исследователя работать только на получение немедленной финансовой отдачи, то он пойдет по пути наименьшего сопротивления, т.е. предпочтет слегка усовершенствовать то, что уже есть, нежели думать на перспективу. По традиции, произошедшей из США, и теперь распространившейся по всему миру, от ученого требуется выдать на-гора результат через три года, лучше быстрее – так устроены финансовые инструменты, прежде всего система научных грантов.

Обеспечить получение прибыли, а точнее, немедленной отдачи, вполне возможно, и, более того, все, кто получает гранты, именно так и делают. Но осуществлять такую деятельность можно только при наличии определенной научной базы, поскольку изобрести и построить космический корабль нового типа за три года проблематично. Проще заняться совершенствованием духов или кремов. Добавить пару новых ингредиентов, отталкиваясь от достижений предшественников, – и готово. Работать, конечно, придется, но эта задача – как раз года на три, с учетом оформления сертификатов.

Такая система не будет стимулировать появления ничего принципиально нового, в чем может убедиться каждый, сравнив список открытий за которые была присуждена Нобелевская премия в первой и второй половине 20-го века. Однако, в условиях демократии, когда появление инфанта Энрике – прозорливца и покровителя наук –проблематично еще более, чем антигравитация, любая другая из существующих систем управления наукой будет работать еще хуже [3].

Тот факт, что научно-технический прогресс (НТП) переживает кризис, подтверждают сравнительные исследования Р.Гордона из Кембриджа. Он показал, что большинство технических изобретений, согласно рейтингу «Величайшие технические достижения ХХ века» Национальной академии инженерного искусства были сделаны до 1950 г. Только три из двадцати наиболее важных изобретений относятся к периоду после второй мировой войны – это полупроводники, компьютер, Интернет. Остается только добавить, что научная база для последних трех позиций также была создана задолго до 1950 г.

Можно говорить о блефе инновационного развития, связанного с четвертичным сектором постиндустриальной экономики. На место фундаментальным открытиям, изобретениям и нововведениям эпохи НТП пришли зачастую дешевые инновации, которые не содержат настоящих изобретений и открытий, сводясь зачастую к открытию одной пивной бутылки с помощью другой.

Фундаментальная наука никогда не была доходна. Наоборот, она всегда была творческой и высокозатратной. И эти затраты держали на себе преимущественно государства, которые хотели добиться доминирования в мире. Она возникла в Новое время, которое можно считать временем новаторов во всех областях жизни и деятельности от механики твердого тела до «статической физики» «пульверизированного» (по В.Ключевскому) общества».

Сегодня имеется понимание имитации инновационного развития, которая возникла во второй половине 20-го века, придя на смену подлинным инновациям, реализуемым на рубеже 19-го и 20-го веков.

Вернемся к обсуждаемому вопросу. СССР развивал фундаментальную науку и звал ее адептов к высотам. В результате слишком многие ушли в эмпиреи и остались там навсегда, забыв, что любая медаль имеет две стороны. Еще в 90-е годы, несмотря на кризисы и более чем скромное финансирование, от многих советских физиков, презрительно крививших губы, можно было услышать отзывы о прикладной науке, как о чем-то вторичном.

Цена пренебрежения к экономике оказалась непомерно высокой, но ее сегодня оплачивает весь мир. При всех издержках двуполярного мира, он в какой-то мере все же поддерживал симбиоз, о котором говорилось выше. СССР служил «буфером», резервуаром, из которого черпались сырые и полусырые идеи, впоследствии воплощавшиеся в практику в других странах. Потенциальные эмигранты кормились идеями от ясноглазых идеалистов и потом – за копейки – делились приобретенным багажом на новом месте.

Такие тенденции, в известной степени, развратили науку Запада. Потешаясь над доморощенными «российскими Кулибиными», ее представители поставили во главу угла экономическую эффективность. Это сработало. Но,… как выяснилось, только до определенного момента [4].

Потенциал, на основе которого наука могла бы идти вперед, оказался практически полностью исчерпанным. Своего у стран Запада уже почти и нет – университеты США ориентированы преимущественно на «короткие» инновации, а те, кто занимается фундаментальной наукой, рассматривают ее как нечто вовсе не имеющее отношения к земной суете. Чужого нет тоже – все, что осталось от науки СССР, с упорством, достойным лучшего применения, копирует американские модели, ошибочно приняв тактическое поражение за полный разгром. Источники сверхприбылей иссякли. Немного погодя, в полном соответствии с элементарной логикой, финансовая сфера начала давать сбои – один за другим. Мировые лидеры схватились за голову и начали лихорадочно – другого слова подобрать трудно – искать выход из сложившейся ситуации.

Они пошли по всем возможным направлениям сразу, что еще раз свидетельствует о серьезности сложившейся ситуации. Одно из них очевидно для всех – атака на финансовый сектор.

Газета «Взгляд» от 31 января 2010 г. сообщает о новости, которая стала сенсацией для всех, кто не позабыл, что такое аналитическая работа: «Главный тренд Давоса-2010 – небывало жесткая атака правительств развитых государств мира на банковское сообщество».

Здесь решительно нечего добавить, просто цитируем: «Первым атаку на банки начал президент США Барак Обама, выступивший с инициативой законодательно запретить кредитным организациям заниматься спекуляциями и финансировать спекулятивные фонды. Американский президент и его команда намерены добиться от Конгресса решения, запрещающего банкам вкладывать деньги в хедж-фонды и фонды частных инвестиций, а также в операции с ценными бумагами, напрямую не связанные с обслуживанием клиентов».

Там же: «Мировые лидеры поддержали «крестовый поход» Обамы против «жирных котов» (именно так президент США не так давно назвал банкиров). «Мы продолжим создавать невыносимые для экономики риски, благоприятствовать спекуляции, если не изменим банковское законодательство», − цитирует главу Франции Николя Саркози (РИА «Новости»). По его мнению, именно спекулятивный перегрев экономики стал непосредственной причиной экономического кризиса».

И последняя цитата из этой серии: «Банкирам пора перестать жаловаться и жалеть себя, а заняться работой, − не жалел эмоций глава британского Минфина. − В их же интересах убраться с первых полос газет и заняться тем, что они и должны делать, − обеспечивать экономику кредитами».

Однако, британский премьер на ответил на вопрос – какую экономику? Не будем жонглировать экономическими терминами, попытаемся выразиться максимально просто. Стационарно работающему производству кредиты не нужны, по крайней мере, в таких объемах, которые затребованы существующим финансовым сектором. Более широко, если производственная система уже полностью сложилась, то и кредитовать нечего. Завод работает, что-то продает, приносит прибыль, причем, спрашивается, тут банки? Кредитная система в той форме, которая сложилась сейчас, есть результат роста, результат экспансии, не важно куда – на другие континенты, на вновь возникающие рынки сбыта, к черту на рога, но чтобы она функционировала исправно, все время нужно организовывать и продавать что-то новое. Расширять, расширять, и расширять производство. Разумеется, если говорить полностью корректно, то необходимо принять во внимание также вопросы ликвидности, но здесь крайне существенны именно объемы кредитования, которые становятся тем больше, чем шире экспансия и количество рано или поздно переходит в качество.

Печально, но для этого не осталось резервов – наследство, оставленное предками, проедено в эйфории от роста благосостояния. Газета «Известия» от 04.02.10: «В мире дела обстоят не блестяще. Об этом на форуме «Россия-2010» мы узнали в среду из первых уст. Профессор Нуриэль Рубини, светоч американской экономической мысли, предсказавший нынешний кризис, жестко раскритиковал США и усомнился в спасительной миссии Китая. Мир и дальше будет бесконечно надувать «пузыри», они будут лопаться все громче и больнее». В переводе на русский язык – финансовый сектор без сверхприбылей может только надувать «пузыри», страшась перспектив, но не в силах сделать ничего иного.

Пояснить, что такое финансовый пузырь и откуда они берутся также можно в двух словах. Имеется значительный сектор, привыкший к значительной прибыли (причем эту привычку приобрело не только высшее звено, но и целый пласт менеджеров различных рангов). Если реального источника сверхприбыли нет, то этот сектор переориентируется на будущие прибыли, на то, что на языке экономических теорий называется «временной экспансией» (в слове «временной» здесь ударение ставится на третий слог). Однако, при условии, что будущие доходы также ограничены (сверхприбылей в требуем объеме от ипотеки не получишь), то рано или поздно система пойдет вразнос, что и произошло на практике.

Обобщая, можно сказать, что само существование человечества давно приобрело экспансионистский характер. Оно «сидит на игле» инноваций, правда, на некоторое время забыло о данном обстоятельстве.

Суть глобального кризиса в том, что экспансия человечества, ведомого тем, что осталось от Старого Света, захлебнулась, потеряв тылы и безнадежно растянув коммуникации.

Если пользоваться историческими аналогиями, финансовую элиту мира постигла та же катастрофа, что и Вермахт под Москвой в период второй мировой войны. Есть грамотные офицеры (топ-менеджеры корпораций), есть храбрые солдаты (агрессивные молодые кадры финансового сектора), есть великолепная техника (отработанные за десятилетия механизмы кредитования и т.п.), еще остались снаряды (пиар и политтехнологии), но… в баках боевых машин нет горючего и не известно, откуда его взять.

Финансовый сектор, разумеется, не отдаст власть без, как минимум, серьезного боя, какового лучше избежать. Поэтому из пропыленного ящика достают и пытаются заставить хоть как-то работать старые инструменты – в первую очередь, науку, столетиями обеспечивавшую то, в чем финансовый сектор сейчас нуждается больше всего – экспансию на новые рынки.

Если их нет, то их нужно придумать. Отсюда – превращение слова «нанотехнология» даже не в бренд, а в некий символ, который в устах многих политиков уже звучит, как клятва. Неудивительно – это второе направление преодоления мирового кризиса, которое мировые лидеры также рассматривают как одно из важнейших.

Ребята, которые затеяли мозговой штурм в оставшейся неизвестной широкой общественности организации, знали свое дело. Урвать, что еще можно, от Евразии – не повредит, но это, по большому счету, - крохи. Кардинального перелома ситуации таким способом не добиться. Кризис может быть преодолен или полномасштабной войной (что чревато непредсказуемыми последствиями, с учетом всем известных факторов в виде ядерного и бактериологического оружия) или рывком, сопоставимым с завоеванием колоний, для которого придумали эвфемизм «Эпоха великих географических открытий».