Любопытная смесь из электронной лампы и МОП-транзистора однажды, возможно, заменит традиционный кремний
В сентябре 1976 года, в разгаре Холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский лётчик и перебежчик, отклонился от курса тренировочного полёта над Сибирью, который он проводил в самолёте Миг-25П, быстро пересёк Японское море на малой высоте, и посадил самолёт в гражданском аэропорту Хоккайдо, когда топлива уже оставалось всего на 30 секунд. Его внезапная измена Родине стала манной небесной для американских военных аналитиков, у которых впервые появилась возможность вблизи изучить высокоскоростной советский истребитель, считавшийся ими одним из наиболее передовых самолётов. Но то, что они увидели, их поразило.
Корпус летательного аппарата был сделан грубее, чем у современных ему американских истребителей, и в основном состоял из стали, а не из титана. Приборные отсеки были заполнены оборудованием, работавшим на электронных лампах, а не на транзисторах. Очевидным заключением, несмотря на бытовавшие страхи, стало то, что даже самая передовая технология безнадёжно отстала от западной.
Ведь в США электронные лампы [которые там называют вакуумными трубками / прим. перев.] уступили дорогу меньшим по размеру и энергопотреблению твердотельным устройствам за два десятилетия до этого, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттейн собрали первый транзистор в Лабораториях Белла в 1947. К середине 1970-х электронные лампы в западной электронике можно было найти только в различных видах специального оборудования – не считая огромного количества электронно-лучевых трубок телевизоров. Сегодня исчезли и они, и вне немногочисленных ниш электронные лампы практически вымерли. Поэтому вас может удивить, что некоторые скромные изменения в процессе изготовления интегральных схем могут снова вдохнуть жизнь в вакуумную электронику.
Мы в Исследовательском центре Эймса в НАСА последние несколько лет разрабатывали транзисторы с вакуумным каналом (ТВК). Наши исследования пока находятся на раннем этапе, но изготовленные нами прототипы демонстрируют чрезвычайно многообещающие перспективы этих инновационных устройств. Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее обычных кремниевых, и, возможно, смогут работать на терагерцовых частотах, которые давно остаются за пределами возможностей любого твердотельного устройства. Также они гораздо легче переносят высокие температуры и радиацию. Чтобы понять, почему так происходит, стоит разобраться в создании и функционировании старых добрых электронных ламп.
Потомок лампы накаливания. Электронные лампы стали естественным результатом развития ламп накаливания, разработка которых активно пошла после исследований Томаса Эдисона, который изучал возможности излучения электронов разогретыми нитями. На фото представлен ранний пример лампы Аудион от 1906 года, которая сильно напоминает лампу накаливания, хотя нить в этой лампе не видна – она уже давно сгорела. Нить работала катодом, с которого электроды слетали по направлению к аноду или пластине, расположенной в центре стеклянной трубы. Ток с катода на анод можно было контролировать изменением напряжения, прикладываемого к сетке – зигзагообразному проводу, который видно под пластиной.
Электронные лампы размером с палец, усиливавшие сигналы в бесчисленных радио- и телеприёмниках в первой половине XX века могут выглядеть совершенно непохоже на металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы или MOSFET), регулярно поражающие нас своими возможностями в современной цифровой электронике. Но они многим похожи. Во-первых, они оба трёхконтактные устройства. Напряжение, подаваемое на один контакт – сетку у простой электронной лампы-триода или на затвор транзистора – управляет количеством тока, проходящего между другими контактами: от катода к аноду у электронной лампы и от истока к стоку в MOSFET. Эта способность позволяет этим устройствам работать, как усилители или как переключатели.
Однако электрический ток в электронной лампе течёт совершенно не так, как в транзисторе. Электронные лампы работают за счёт термоэлектронной эмиссии: нагрев катода заставляет его выбрасывать электроны в окружающий вакуум. Ток в транзисторах происходит из-за диффузии электронов (или дырок, мест, где не хватает электрона) между истоком и стоком сквозь разделяющий их твёрдый полупроводящий материал.
Почему электронные лампы так давно дали дорогу твёрдотельной электронике? Среди преимуществ полупроводников – малая стоимость, гораздо меньший размер, гораздо большее время жизни, эффективность, надёжность, прочность и постоянство. Но при всём при этом чисто как среда для передачи заряда вакуум выигрывает у полупроводников. Электроны легко распространяются в пустоте вакуума, а в атомах твёрдого тела они испытывают столкновения (рассеивание на кристаллической решётке). Более того, вакуум не подвержен повреждениям из-за радиации, поражающим полупроводники, а также производит меньше шума и искажений, чем твёрдотельные материалы.
Недостатки электронных ламп не так досаждают, если вам нужно лишь небольшое их количество, чтобы собрать радио или телевизор. Однако в более сложных схемах они проявили себя с худшей стороны. К примеру в компьютере ENIAC 1946 года было 17 468 ламп, он потреблял 150 кВт энергии, весил более 27 тонн и занимал почти 200 м2 пространства. И постоянно ломался – каждый день-два из строя выходила очередная лампа.
Чип в бутылке: простейшая электронная лампа, способная на усиление, это триод, названный так потому, что у него есть три электрода: катод, анод и сетка. Обычно эта структура имеет цилиндрическую симметрию, когда катод окружён сеткой, а сетка окружена анодом. Работа её похожа на работу полевого транзистора – напряжение, подаваемое на сетку, управляет током между двумя другими электродами. У триодных ламп часто было пять контактов, чтобы разместить два дополнительных электрических контакта для разогреваемой нити.
Революция транзисторов покончила с этими проблемами. Однако вал изменений в электронике произошёл в основном не потому, что у полупроводников были какие-то особые преимущества, а потому, что инженеры сумели наладить массовое производство и комбинирование транзисторов в интегральные схемы благодаря химической гравировке, или травлению, кремниевых подложек с целью получения нужного рисунка. С развитием технологии производства интегральных схем им удавалось запихивать всё больше и больше транзисторов на микрочипы, что позволяло схемам становиться всё более сложными с каждым поколением. Также электроника становилась быстрее, не становясь дороже.
Это преимущество в скорости существует потому, что транзисторы становились меньше, электронам внутри них приходилось проходить меньшие расстояния от истока к стоку, что позволяло быстрее включать и выключать каждый транзистор. Электронные лампы были большими и громоздкими, их нужно было изготавливать по отдельности на станках. И хотя с годами они улучшались, у них не было ничего похожего на благотворное воздействие закона Мура.
Однако, спустя четыре десятилетия сжатия размеров транзисторов, мы пришли к тому, что слой оксида, изолирующий затвор в типичном MOSFET достиг толщины всего в несколько нанометров, и всего несколько десятков нанометров разделяют исток и сток. Обычные транзисторы уже не получится сделать сильно меньше. А поиски всё более быстрых и энергоэффективных чипов продолжаются. Какой будет следующая технология транзисторов? Идёт интенсивная разработка нанопроводов, углеродных нанотрубок и графена. Возможно, один из этих подходов спасёт электронную индустрию. Или же все окажутся пшиком.
Мы разрабатываем ещё одного кандидата на замену MOSFET, такого, с которым исследователи периодически возятся уже много лет: транзистор с вакуумным каналом. Это результат скрещивания традиционной электронной лампы и современных технологий производства полупроводников. Эта любопытная смесь комбинирует лучшие свойства электронных ламп и транзисторов, и его можно сделать настолько маленьким и дешёвым, как любое твердотельное устройство. Именно способность изготавливать их в небольшом размере устраняет хорошо известные недостатки электронных ламп.
Транзистор из электронной лампы: транзисторы с вакуумным каналом очень напоминают метал-оксид-полупроводник, MOSFET (слева). В MOSFET напряжение, подаваемое на затвор, порождает электрическое поле в лежащем снизу полупроводнике. Это поле затягивает переносчиков заряда в канал между истоком и стоком, что позволяет току протекать. В затвор ток не течёт, он изолирован тонким слоем оксида. Транзистор с вакуумным каналом, разработанный авторами (справа) тоже использует тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода с анодом, имеющих острые концы для усиления электрического поля.
В электронной лампе электрическая нить, схожая с нитью накаливания в лампочках, используется для разогрева катода, достаточного для того, чтобы он начал испускать электроны. Поэтому электронным лампам нужно время на разогрев, и потому они используют столько энергии. А также поэтому они так часто перегорают (часто это происходит из-за микроскопической утечки в стекле). Однако ТВК не нужна нить или горячий катод. Если устройство сделать достаточно маленьким, то электрического поля внутри него будет достаточно для вытягивания электронов из истока – это называется автоэлектронной эмиссией. Устраняя энергозатратные элементы подогрева, мы уменьшаем место, занимаемое устройством на чипе, и делаем этот новый транзистор энергетически эффективным.
Ещё одно слабое место электронных ламп состоит в том, что им нужно поддерживать глубокий вакуум, составляющий обычно порядка 1/1000 от атмосферного давления, чтобы избежать столкновения электронов с молекулами газов. При таких низких давлениях электрическое поле заставляет положительно заряженные ионы остаточного газа ускоряться и бомбардировать катод, создавая острые нанометровые выступы, из-за чего он деградирует и в итоге оказывается уничтоженным.
Эти давно известные проблемы вакуумной электроники можно преодолеть. Что, если расстояние между катодом и анодом будет меньше среднего расстояния, которое проходит электрон перед тем, как столкнуться с молекулой газа – меньше, чем средний свободный путь? Тогда не надо будет беспокоиться о столкновениях между электронами и молекулами газов. К примеру, средний свободный путь электронов в воздухе при нормальном давлении составляет 200 нм, что по шкале современных транзисторов довольно много. Если использовать вместо воздуха гелий, то средний свободный путь вырастет до 1 мкм. Это значит, что электрон, проходящий через разрыв шириной в 100 нм, столкнётся с газом с вероятностью всего в 10%. Сделайте разрыв меньше, и вероятность будет уменьшаться и далее.
Но даже с низкой вероятностью столкновения многие электроны всё равно будут сталкиваться с молекулами газа. Если удар выбьет связанный электрон из молекулы, она превратится в положительно заряженный ион, и электрическое поле отправит его по направлению к катоду. Из-за бомбардировки положительными ионами катоды деградируют. Поэтому этого процесса нужно по возможности избегать.
К счастью, при низком напряжении электроны никогда не наберут достаточно большой энергии для ионизации гелия. Поэтому, если размеры вакуумного транзистора будут гораздо меньше среднего свободного пути электронов (чего легко достичь), а рабочее напряжение будет достаточно низким (и это устроить нетрудно), то устройство сможет прекрасно работать при атмосферном давлении. То есть, в этой, номинально вакуумной электронике миниатюрного размера вообще не нужно будет поддерживать никакого вакуума!
А как включать и выключать этот новый транзистор? У электронной лампы-триода мы контролируем протекающий через неё ток, изменяя напряжение, подаваемое на сетку – похожий на решётку электрод, расположенный между катодом и анодом. Если поместить сетку ближе к катоду, это увеличит её электростатический контроль, однако увеличит и количество перетекающего на сетку тока. В идеале на сетку вообще не должен течь ток, поскольку это приводит к потерям энергии и даже к отказу лампы. Но на практике небольшой ток есть всегда.
Чтобы избежать подобных проблем, мы управляем током в ТВК так же, как в обычном MOSFET, используя электрод затвора, изолирующий его от тока диэлектрическим материалом (диоксидом кремния). Изолятор переносит электрическое поле туда, где оно требуется, не давая току протекать через сетку.
Как видно, ТВК – это совсем не сложное устройство. Оно работает гораздо проще любых предыдущих вариантов транзисторов.
Хотя мы всё ещё находимся на ранних этапах нашего исследования, мы считаем, что недавние улучшения ТВК смогут однажды серьёзно повлиять на индустрию электроники, в частности на те её области применения, где очень важна скорость. В самой первой нашей попытке по изготовлению прототипа у нас получилось устройство, способное работать с частотой в 460 ГГц – примерно в 10 раз больше лучших кремниевых транзисторов. Это делает ТВК многообещающим устройством для работы в т.н. терагерцовом разрыве – той части электромагнитного спектра, что находится выше микроволн и ниже инфракрасного диапазона.
Заполняя разрыв: ТВК обещают работать на частотах между микроволновыми и инфракрасными – этот диапазон спектра иногда называют терагерцовым разрывом, поскольку большая часть полупроводниковых устройств с трудом работает на таких частотах. Среди многообещающих вариантов использования – направленная высокоскоростная передача данных и отслеживание опасных веществ.
Такие частоты, в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, полезны для распознавания опасных веществ и безопасной высокоскоростной передачи данных – и это только пара примеров. Однако использовать терагерцовые волны сложно, поскольку традиционные полупроводниковые устройства не могут создавать или распознавать такое излучение. Вакуумные транзисторы могли бы заполнить эту пустоту, извините за каламбур. Эти транзисторы могли бы пригодиться в будущих микропроцессорах, поскольку метод их производства полностью совместим с производством обычных микросхем. Однако перед этим необходимо решить несколько проблем.
Наш прототип ТВК работает от 10 В, что на порядок больше используемого микросхемами напряжения. Однако исследователи из Питтсбургского университета уже смогли сделать ТВК, работающие от 1 или 2 В, хотя это потребовало серьёзных компромиссов в гибкости дизайна. Мы уверены, что сможем уменьшить требования к напряжению до подобного уровня, уменьшая расстояние между катодом и анодом. Величина их угла определяет концентрацию электрического поля, а состав материала катода определяет, насколько сильное поле требуется для извлечения из него электронов. Поэтому мы, возможно, сумеем уменьшить напряжение, подобрав электроды с более острыми кончиками или более подходящий химический состав, уменьшающий барьер, который преодолевают электроны, убегая с катода. Это будет работа по поиску баланса, поскольку изменения, приводящие к уменьшению рабочего напряжения, будут уменьшать долгосрочную стабильность электродов и время жизни транзистора.
Следующий большой этап – создать большое количество ТВК, разместив их на интегральной схеме. Для этого мы планируем использовать множество уже существующих инструментов для разработки при помощи компьютера и ПО для симуляции работы интегральных схем. Но перед этим нам нужно будет уточнить наши компьютерные модели новых транзисторов, и разработать правила соединения большого их количества. Также нам нужно будет разработать подходящие методы упаковки для этих устройств с давлением в 1 атм, наполненных гелием. Скорее всего, для этого можно будет без особых проблем применить технологии, используемые для упаковки микроэлектромеханических датчиков – акселерометров и гироскопов.
Конечно, предстоит проделать ещё немало работы перед тем, как мы сможем начать коммерческое производство продукта. Но когда это произойдёт, новое поколение вакуумной электроники наверняка сможет похвастаться неожиданными возможностями. Стоит ожидать этого, иначе вы можете оказаться на месте военных аналитиков, изучивших советский Миг-25 в Японии в 1976 году: позже они поняли, что ламповые авиаприборы могут выдерживать электромагнитный импульс, порождённый ядерным взрывом, лучше любой начинки западных самолётов. И только тогда они смогли признать ценность небольшого количества ничто.
Комментарии (96)
Akon32
24.12.2018 16:06А что с температурной стабильностью?
rt3879439
24.12.2018 16:09Через 20 лет посмотрим что из этого получится.
nehrung
25.12.2018 00:39+1Помнится, видел статью про нечто подобное ещё при кондовом совке, лет эдак 40 назад, то ли в ИР, то ли в ТМ. Но там острым был только катод (электростатическая эмиссия), сетка имела всего одно соосное катоду отверстие, а анод плоский, и вся конструкция была похожа на многослойный сэндвич. Всё это в микронных размерах. Производство предполагалось тоже групповое (т.е. нечто вроде нынешних микросхем), но о работоспособности в газовой среде речи не велось — предполагалось корпусирование всей группы и по-видимому откачка.
После той статьи никаких упоминаний ни о чём-то подобном я не встречал (ясное дело, идея сильно опередила своё время), и вот спустя такой огромный срок тема всплыла вновь.rt3879439
25.12.2018 11:36+1Да тоже не раз читал про новый виток ламповости. Интересно где быстрее случится прорыв: в аккумуляторах, холодном термояде или лампах?
Sormovich
26.12.2018 18:34" Интересно где быстрее случится прорыв: в аккумуляторах, холодном термояде или лампах?"
Научный прорыв: холодный ядерный синтез стал управляем
Наука
В российской и мировой ядерной физике осуществлён долгожданный научный прорыв. Впервые реализована управляемая реакция ядерного синтеза при комнатной температуре
Научный прорыв: холодный ядерный синтез стал управляем
Дмитрий Иконников. В единстве производства и науки — могущество и будущность страны! 1986
Москва, 26 мая 2018, 10:36 — REGNUM Этот сенсационный результат получен международной исследовательской группой под руководством известного физика-экспериментатора (Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова) Аллы Александровны Корниловой.
Подробности: regnum.ru/news/2421626.html
Любое использование материалов допускается только при наличии гиперссылки на ИА REGNUM.vesper-bot
27.12.2018 10:13Эпично! Звуковой резонанс из тепловых волн раскачивает атомы дейтерия до энергий, достаточных для синтеза — прям фантастика какая-то! Хотя скорее всего до промышленных мощностей дорастать будет долго, но прорыв.
pfg21
24.12.2018 16:21сколь помню форма электродов деградируют от проходящего тока
а температура слабо влияет.
jar_ohty
24.12.2018 16:56К счастью, при низком напряжении электроны никогда не наберут достаточно большой энергии для ионизации гелия. Поэтому, если размеры вакуумного транзистора будут гораздо меньше среднего свободного пути электронов (чего легко достичь), а рабочее напряжение будет достаточно низким (и это устроить нетрудно), то устройство сможет прекрасно работать при атмосферном давлении. То есть, в этой, номинально вакуумной электронике миниатюрного размера вообще не нужно будет поддерживать никакого вакуума!
А как насчет того, что при атмосферном давлении поверхность всегда покрыта в несколько слоев адсорбированными молекулами атмосферных газов, а также воды и органики? Удаляются эти слои только в сверхвысоком вакууме при нагревании.agat000
24.12.2018 20:05Чистое производство как раз не проблема. Давно отработано на классической электроннике. А вот производство объёмных конструкций строгой геометрии и размеров уже даёт сложности.
jar_ohty
24.12.2018 22:10Вы меня не поняли. Адсорбционный слой — это не какое-то «загрязнение извне». Это фундаментально, обязательно согласно законам природы присутствующий на поверхности слой, скорость образования которого зависит от давления газа, но даже при сверхвысоком вакууме время заполнения монослоя измеряется отнюдь не годами (при минус десятой степени мм рт.ст. — он заполнится за несколько суток, а это очень глубокий вакуум, практически предельный для отпаянного прибора). А при атмосферном давлении он образуется практически мгновенно — за микросекунды.
Popadanec
24.12.2018 23:26Ну может появится смысл перенести производство в космос.
jar_ohty
24.12.2018 23:49Мало "закачать" внутрь идеальный вакуум. Его надо сохранить внутри. А все материалы на таких уровнях вакуума газят. Причем собственными парами. Именно поэтому экстремальные уровни вакуума получаются только при непрерывной откачке, да и ламповая девятая степень живет там только за счет непрерывного поглощения газа геттером. А тут девятой степени мало.
agat000
26.12.2018 10:13Предполагается использовать рабочий газ — гелий. Значит при производстве должен быть он же.
Тут же вылазит проблема утечки гелия.Mad__Max
27.12.2018 00:58А это не страшно с точки зрения работы такого транзистора. Главное чтобы в место гелия другие газы не «натекали» сквозь корпус чипа.
Сам гелий тут для работы не нужен вообще, это только более простое средство избавиться от других газов(вытеснив их гелием) не прибегая к сверхглубокому вакууму.
Mad__Max
25.12.2018 21:34На современном ПП производстве это уже давно решили — поверхности при производстве очищают, после чего покрывают изолятором, чтобы заново ничего потом не осело.
Даже слой в 1-2 молекулы «левого» состава осевший там где не надо неприемлемо ухудшает свойства транзисторов при современных производственных нормах. И от них научились избавляться при производстве.
Mad__Max
25.12.2018 21:31Откуда там атмосферные газы или уж тем более вода или органика, если с атмосферой все это не сообщается и сообщаться не будет?
«при атмосфером давлении» <> «сообщающееся с атмосферой»
Все это тщательно зачищается, пустоты заполняются гелием, и наглухо запечатывается.jar_ohty
25.12.2018 22:01Гелий тоже же будет адсорбироваться, только с меньшей скоростью. И при атмосферном давлении монослой его образуется не за микросекунды, а допустим, за миллисекунды. Но только абсолютно чистого ничего не бывает. И получить гелий, в котором доля примесей 10^-17 ничуть не проще, чем вакуум в 10^-14 мм рт.ст. А в отпаянном объеме и вовсе нереально.
Mad__Max
27.12.2018 01:54Дайте ссылочку или хотя бы официальный термин как это называется в науке. Как образуются монослои инертных газов, оседающие на твердых поверхностях подобно «жидкости» при температурах заведомо намного больших их температур конденсации.
Я от вас о таком вообще впервые слышу. Проблемы очистки и дегазации — полно и разных. А вот чтобы например гелий «налипал» плотным слоем скажем на кремний или германий при «комнатных» температурах — впервые слышу.
Как понимаю речь об обычной адсорбции (2D аналог абсорбции), а не чем-то экзотическом?.. Но при адсорбции далеко не все газы «липнут» далеко не ко всем поверхностям. В формулах скорости адсорбции газов есть коэффциент адсорбции зависящий от конкретных веществ газа и материала поверхности. И показывающий какая в среднем доля молекул газа из достигших поверхности «приклеивается», а какая «отскакивает» (обычный эффект давления газа на стенки).
И меняется он в очень широких пределах — от практически абсолютного 0 и до 1.
Не нашел пока коэффициентов для пары гелий-кремний, но в процессе нагуглились для азота, аргона, водорода и других газов относительно кремния:
Адсорбция газов поверхностью кремния
Даже для таких довольно активных газов как водород и угарный газ этот коэффициент определяемый экспериментально порядка 0.00001, т.е. всего 1 «прилипшая» молекула газа на 100 000 столкновений с поверхностью и скорость адсорбции соответственно в 100 тыс. раз ниже чем у вас насчитано.
Для инертных же газов (инертные газы инертны не только в плане химических реакций, но во многих других тоже — конфигурация электронной оболочки влияет на все физические свойства), например азота и аргона при «комнатных» температурах она вообще стремится к нулю (как минимум меньше точности лабораторных измерений):
Аргон и азот подводились к нити отдельно. В каждом случае не наблюдалось никакой десорбции при нагреве нити до 600°. Можно поэтому предположить, что при 300° К и давлениях ниже 10в-4 мм рт. ст. не происходит адсорбция аргона и азота. Подобный результат при тех же условиях был получен для германия.
olegshutov
24.12.2018 17:07Лет 20 подряд натыкаюсь на статьи по нескольку раз в год, как открыли новый вид транзисторов, работащих на десятках-сотнях гигагерцах
DmitryOgn
25.12.2018 07:34Но чипы на эти частоты все не появляются.
jar_ohty
25.12.2018 17:15У логического элемента, чтобы он работал в ключевом режиме, должнл быть достаточно большое усиление. Так что чтобы он работал на частоте 3 ГГц, транзисторы нужны с граничной частотой десятки гигагерц.
DmitryOgn
27.12.2018 04:45Если есть элемент на терагерц (а они есть уже нескольких видов) — то теоретически он может работать логическим ключом на сотню гигагерц.
Вариантов я вижу два:
— Все эти изобретения не показали практичность.
— Отрасль не хочет менять налаженный процесс и делать революционные изменения, обгоняющие «закон Мура» (который больше маркетинговый, чем технологический).
Mad__Max
25.12.2018 21:37Транзисторы работающие на частотах в десятки ГГц уже давно появились и сейчас широко применяются на практике. Как раз благодаря исследованиям о которых вы читали.
Но вы видимо почему-то хотели/ждали процессоров (или других сложных микрочипов) работающих на таких частотах. Хотя читали про транзисторы, а не про чипы.
KonkovVladimir
24.12.2018 18:41-1«средний свободный путь» — Длина свободного пробега википедия в помощь
Последняя фраза статьи:
Only then did they begin to appreciate the value of a little nothingness. — И только тогда они смогли понять ценность этого маленького пустяка.
пустяк, пустой — игра слов.
tuxi
24.12.2018 18:52Про воздействие ядерного взрыва на различные электронные компоненты было бы полезно упомянуть. Это кстати, одна из причин долгой жизни вакуумных приборов в военной электронике.
Victor_Grigoryev
24.12.2018 19:27А вот и мимо.
Основная проблема совсем в другом. Вояки консервативны по отношению к имеющемуся оборудованию. ОЧЕНЬ КОНСЕРВАТИВНЫ! А очень серьёзные системы типа СПРН выключать вообще нельзя ни на минуту, тут только строить новое и сносить старое. Собственно, только там лампы с дискетами по большей части и остались. Разумеется, если используется бронированный олдскул из 60-70-х, то там лампы тоже будут.
Однако, тренды таковы, что старое реально модернизируется путём выбрасывания сотен кг радиодеталей в пользу пары небольших IP68-ящиков с электроникой. Совсем другое дело, что лампы и платы из 5-мм текстолита легко нас с вами переживут, в отличие от хайтека…tuxi
24.12.2018 20:52Не затрагивая тему сложностей модернизации, отмечу, что вакуумные приборы наиболее устойчивы к электромагнитным импульсам. Пруф «навскидку», там табличка
Victor_Grigoryev
24.12.2018 21:51Несомненно! Устойчивость к ЭМИ у ламп это неоспоримый плюс, но по собственному опыту могу сказать, что именно морально-этически-сексуальные предпочтения/заблуждения военных чинов обязывают служивых иметь дело с достижениями электроники середины прошлого века.
Просто сам как раз сейчас участвую в модернизации хайтека прошлого до актуального железа. Повезло, что мы заказчик в ТЗ дал явное добро на извлечения большинства шкафов радиодеталей взамен на компактное, куда менее потребляющее и более понятное человеку из XXI века автоматизированное рабочее место. Правда, от ЭМИ будет очень больно))Daddy_Cool
24.12.2018 22:55+1Из статьи в КП за 2003 год. "Вчера американцы сбросили электромагнитную бомбу на министерство информации Ирака. После взрыва все системы главного информационного рупора страны перестали работать. Но через 10 часов иракские инженеры сумели восстановить аппаратуру."
Эх… жаль всего на 10 часов. А то включил тут телевизор — и сразу понял — хорошая идея-то… хорошая! Развивать надо!
tuxi
24.12.2018 23:09Как то все это звучит опасно. "Аля улю, шашки наголо, гони городских к лесу!!!" Какие предпочтения блин? Есть утвержденные нормативы и стандарты. Либо ваша новая аппаратура их соблюдает и проходит испытания и приемку, либо нет. А Вы рисуете какой то модный хайп "куяк куяк и в продакшен".
Victor_Grigoryev
24.12.2018 23:15По очевидным причинам не стоит распространяться о конкретных целях и задачах, но проблема системная. Классическая аналоговая аппаратура куда более живучая, нежели современная элементная база. Ясное дело, что надо всё защитить, а не в продакшн дендрофекальным методом проектирования, это вам не html-программирование всё ж таки
tuxi
25.12.2018 00:18Классическая аналоговая аппаратура
Дискретные логические элементы без разницы на чем собирать, можно на тех же лампах. Были АВМ, там как и лампы, так и полупроводники и микросборки/микросхемы применялись. И даже простые гидравлические механизмы использовались. И эти АВМ успешно решали задачи интегрирования и дифференцирования. Просьба не путать эти понятия.
jar_ohty
24.12.2018 23:58+1Кстати, думаю, что из всех указанных приборов по стойкости данный вакуумный прибор будет ближе к СВЧ диоду.
8street
25.12.2018 09:49А я считаю, что вояки отнюдь не дураки использовать лампы. Их до сих пор производят в Саратове и номенклатура давно известна и не менялась уже 70 лет. А вот попробуйте купить японский транзистор, выпущенный хотя бы в 90х. Это очень трудно. С отечественными деталями тоже очень непонятная ситуация. У меня такое впечатление, что сейчас можно купить только детали 80х годов производства, которые не отличаются особым качеством.
tuxi
25.12.2018 11:43Полупроводники деградируют со временем. С лампами в чем то проще в этом плане
BorlandDelphi
25.12.2018 12:13Лампы перегорают. :(
Хотя эдиссоновская лампа работает уже больше ста лет.Popadanec
25.12.2018 12:23А знаете почему? Потому что её не выключают. Именно резкое включение убивает лампу накаливания. В продаже появились специальные выключатели с плавным пуском, но потом производство ламп накаливания резко сократили и они потеряли актуальность.
Mike_soft
25.12.2018 12:27продавцы тёплых ламповых лампочек поняли, что их заговор раскрыли, и переключились сначала на энергосберегайки, а затем — и на светодиодные… (/сарказм)
Ждем «теорию заговора производителей светодиодных ламп»…BorlandDelphi
25.12.2018 13:03Лампы для света — действительно имеют запланированное устаревание.
Но, что не так с радиолампами? Ведь они должны быть надёжнее, а это, увы, не так.Mike_soft
25.12.2018 13:17Естественные процессы — начиная от диффузии газов и заканчивая перегоранием нити их-за неравномерной толщины.
Я, честно говоря, не интересовался ЭВП ввиду того, что не планировал с ними работать… Да и читали нам всего лишь часть ЭВП — в курсе АиУСВЧ, всякие там клистроны-магнетроны-ЛБВ.
Popadanec
25.12.2018 13:19Ртутные не смотря на такое же потреблиние и одинаковый световой поток(люмен) даже выгодней смотрятся(не считая страхов по поводу ртути), т.к. на всём протяжении долгого срока службы не теряет яркость в отличии от светодиодных ламп и уж куда надёжней чем они(по крайней мере по сравнению с некоторыми).
Я какое то время часто менял светодиодные(порой 2-3 раза за год гарантии).
А сдать по гарантии заметно потускневшие, но рабочие лампы, не получилось.
Сейчас взял за правило не брать лампы меньше чем с двухлетней гарантиейjuray
25.12.2018 14:56Ртутные тоже теряют яркость. Деградация люминофора, потеря эмиссии… В общем, нет серебряной пули.
А еще КЛЛ в холодных помещениях при включении набирают яркость до номинальной аж несколько минут.Popadanec
25.12.2018 15:48Да и в теплых не сразу яркость выдаёт, но это даже хорошо, т.к. глаза успевают приспособиться.
По поводу деградации, у меня есть несколько ртутных ламп на е27 отработавших лет 5(или даже более) и у них яркость заметно выше в отличии от светодиодной проработавшей год.juray
26.12.2018 00:36У меня в доме КЛЛ разных марок перебывало десятка три (в основном, всякая дешевка типа Naviator, но были и Toshiba). Все в итоге или потускнели или стали очень долго выходить на режим (десятки минут).
Так, светодиодные IEK на 11 Вт оказались ярче чем 30 Вт КЛЛ после 4 лет работы.
Светодиодные я всего года полтора начал устанавливать и год как перевёл на светодиодки весь дом. Пока снижения яркости незаметно — как дальше будет, посмотрим. Что касается сдыхания — за это время я установил 33 лампы (дешевых REV, IEK и т.п.), сдохло 6 — почти 20%. Одну разобрал — увы, дешёвка на то и дешёвка, никакой стабилизации тока — только выпрямитель и сглаживающий конденсатор.Popadanec
26.12.2018 08:33У меня все выжившие ртутные камелион. Светодиодные то же этой фирмы закупил(причём выбрал ту же фирму случайно по характеристикам и сроку гарантии в 3 года.
Я потрошил средние по цене(ASD, Ecola, Saffit), везде полноценные драйвера, куча емкостей, правда все сдохли от перегрева. Особенно выделился saffit, максимальная экономия на радиатора, плюс светодиоды распаяны на отдельной пластине, соединяясь с радиатором краями пластины. Соединение сухое, ни пайки, ни термопасты. В результате их завалили возвратами.
isden
26.12.2018 14:55> Ждем «теорию заговора производителей светодиодных ламп»…
Держите.
Разбирал недавно одну сгоревшую. Прослужила где-то полгода. Так там сердечник мелкого тороидального транса был сделан из какого-то говна. Транс буквально рассыпался на куски в руках.
Еще у парочки сгоревших был совершенно никакой теплоотвод от полос с диодами. Которые от такого расклада помирали только так. При вскрытии там прямо припой потекший был :(Popadanec
26.12.2018 16:35Они зачастую работаю в жутком перегреве, что диоды, что драйвера.
Производитель(если есть договор с местным магазином) сам себя наказывает. Как к примеру я писал выше с Saffit. Их просто завалили возвратом(там где я сдавал, было сразу несколько коробок за неделю). К концу срока гарантии(1 год всего) к примеру меняли уже на переделанные лампочки(правда проработали они полгода максимум). И так раза три за год менял(сгорели все 100%)
И магазины и покупатели в следующий раз задумаются над покупкой ламп этой фирмы.
Благо я их взял всего пять, сейчас осталось 4, одну пустил на донорские органы(лампы прекрасно разбираются, драйвера попались живучие, а диоды легко перепаиваются).
jar_ohty
25.12.2018 17:20+1Она в жутком недокале, вот и весь ее секрет. Включи нынешнюю лампочку на 220 В в 42 вольта и оставь в покое без включений-выключений и сотрясенй — тоже сто лет может проработать.
8street
25.12.2018 13:17Параметры электронных ламп могут уплыть еще быстрее, чем у полупроводников. Заводы-изготовители, в среднем, заявляют 500-5000 часов работы у бытовых ламп и вдвое больше у военных. Лампа чем проще — она на панельке и может быть и заменена любым солдатом.
tuxi
25.12.2018 13:51Ну до определенных пределов уход параметров можно схемотехникой скомпенсировать. Да и сама схемотехника у ламп проще.
Насчет замены — это да, конкуренции нету. Даже агрегатная замена не шибко быстрее.
BorlandDelphi
25.12.2018 14:06Лампа чем проще — она на панельке и может быть и заменена любым солдатом
Видно невооружённым взглядом неисправности?8street
25.12.2018 14:21По сути, в военных приборах, если это не компьютер, ламп не так много и их все разом можно заменить. Ну а потом методом исключения… А еще можно слегка ногтем пощелкать по лампам, работоспособность может восстановиться или помехи уходят, или их еще больше. Обычно лампа-то не так быстро дохнет, если конечно, не перегорает нить накала. Внешне вполне можно определить лампы, выработавшие свой ресурс по зеркальному/темному налету (не геттер), там где его не должно быть.
agat000
26.12.2018 10:25Ну это все равно не «любой солдат», а все таки технарь, которому можно доверить щелкать ногтями и вообще лезть в технику.
Тем более, что многие виды приборов опломбированы и вскрывать их можно только в присутствии особиста, по особому разрешению. Или вообще нельзя, ремонт только на секретном заводе.8street
26.12.2018 13:38Ну тады пусть шлют прибор на секретный завод. А там его все равно быстро починят. Кстати, мне дед рассказывал, в армии был радистом и сам менял лампы, хотя высшего образования у него не было, да и сам скорее механик, чем электрик. Но это давно было, конечно, пломб наверное еще не было.
ptica_filin
25.12.2018 14:13Из тех ламп, что производят в Саратове, сейчас актуальны и полезны ЛБВ. На частотах в районе 10ГГц и выше они пока конкурируют с транзисторами. Но нитридгаллиевые транзисторы уже догоняют.
timdorohin
24.12.2018 20:03Баллистический странзистор, он же, но на английском
Оно ведь уже больше десятка лет обсуждается, в чем новость-то? Или это не тот тип транзистора?
Не тот, оказывается — в баллистическом поток электронов отклоняют, а не прерывают, затрачивая на порядки меньшую мощность, в отличии от предложенного.
Тогда тем более не ясна новизна и смысл.
Всем тёплых, светящихся триггеров на 6Ж1П, короче.vesper-bot
25.12.2018 09:43Ну, по статье, баллистические транзисторы требуют сверхпроводимости в одном из элементов, как следствие, охлаждения, а вакуумные работают при комнатной температуре. А отклонение пучка электронов в вакууме сложно сделать, не направив его в стенку, поэтому прерывать проще.
timdorohin
25.12.2018 10:02+1Не, там не обязательна сверхпроводимость
Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора.
Т.е. сабж тоже подходит. То, что в основном экспериментировали с двумерным электронным газом в сверхпроводнике — не значит что без него не сделать.А отклонение пучка электронов в вакууме сложно сделать, не направив его в стенку, поэтому прерывать проще.
Там зато двуханодные конструкции aka дифпары получаются на раз-два.
minusnaminus
24.12.2018 21:46+4Корпус летательного аппарата был сделан грубее, чем у современных ему американских истребителей, и в основном состоял из стали, а не из титана. Приборные отсеки были заполнены оборудованием, работавшим на электронных лампах, а не на транзисторах. Очевидным заключением, несмотря на бытовавшие страхи, стало то, что даже самая передовая технология безнадёжно отстала от западной.
Ведь в США электронные лампы [которые там называют вакуумными трубками / прим. перев.] уступили дорогу меньшим по размеру и энергопотреблению твердотельным устройствам за два десятилетия до этого, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттейн собрали первый транзистор в Лабораториях Белла в 1947.
1) В Миг-25 использовался титан, хотя да, почти на 90% самолет стальной. Однако, «титановый» самолет в США был только один — SR-71 Блэкбёрд. В остальных же титан применялся так же локально.
2) В современных Мигу самолетах, таких как Фантом 2, лампы ещё были в ходу. Первым (насколько я знаю) полностью «транзисторным» боевым самолетом стал F-15, который на вооружение приняли в том же 1976-ом году, когда Беленко угнал самолет.
3) Ламп в приборах в американских вооруженных силах было полным-полно, просто за счет наполнения складов и долгих сроков эксплуатации между модернизациями (на флоте например). Лампы правда, думаю, были лучше советских.
4) Была байка, что американцы такую «ламповость» Миг-25 сначала объясняли устойчивостью ламповых приборов к низким температурам (а Миг-25 летал очень высоко). Впрочем, может и устойчивость ламп тоже байка.
5) Миг-25 до сих пор держит рекорд по высоте полета (37 650 м) — безнадежно отстал…
Не то чтобы спорю с изложенным, но давайте честно — вступление про угон самолета плохо согласованно с основной темой про вакуумные транзисторы
То есть, в этой, номинально вакуумной электронике миниатюрного размера вообще не нужно будет поддерживать никакого вакуума!
Фи… Да какие это тогда лампы, без теплого вакуума
kuza2000
25.12.2018 06:12Наш прототип ТВК работает от 10 В, что на порядок больше используемого микросхемами напряжения. Однако исследователи из Питтсбургского университета уже смогли сделать ТВК, работающие от 1 или 2 В, хотя это потребовало серьёзных компромиссов в гибкости дизайна.
Чем плохо питание 10 вольт?timdorohin
25.12.2018 10:10C * U^2 / 2
Такую энергию накопленную в паразитных емкостях линий и затворов приходится рассеивать переключающим элементам схемы при каждом переключении. Именно поэтому напряжение питания современных процессоров не превышает полутора вольт, а часто и вольта (мобильные экономичные процессоры)jar_ohty
25.12.2018 10:49Плюс энергии электрона в 10 эВ более чем достаточно, чтобы оторвать атом. А значит, электроды "транзистора" будут портиться и срок его службы окажется микроскопическим.
kuza2000
26.12.2018 10:28Да, прикинул, действительно…
При заряде энергия C * U^2 / 2 зальется в емкость, и столько же рассеется в цепи заряда. При обратном переключении все это сольется в цепь разряда. Получается, на полный цикл нужно энергии C * U^2. Причем от напряжения зависимость квадратичная, при 10 В потребление в 100 раз выше, чем при 1 В.
А чем ограничен нижний предел питания в теории? Тепловым шумом?
А возможно ли какая-то рекуперация, как при торможении? Что бы эту энергию не рассеивать? (В теории, конечно).Mad__Max
27.12.2018 03:03У попупроводников — шириной запрещенной зоны.
А у подобных вакуумных штуках типа старых ламп с электронами в свободном полете — работой выхода из материала.
Хотя тут судя по статье примяют «хак» позволяющий подобное ограничение обойти — автоэлектронная эмиссия
Теоретически возможно что-то вроде «рекуперации» — обратимые вычисления
9660
25.12.2018 06:21отклонился от курса тренировочного полёта над Сибирью, который он проводил в самолёте Миг-25П, быстро пересёк Японское море на малой высоте, и посадил самолёт в гражданском аэропорту Хоккайдо
Потрясающе. Где Чугуевка а где Сибирь. Одно непонятно, почему ни слова про матрешку и медведя с водкой.msatersam11
25.12.2018 06:57Какая статья — такой и перевод.
Вообще, уже даже по одному тому, что именно подразумевается под «Сибирью», можно весьма точно отличить перевод на русский от статьи, изначально на русском написанной жителями Вост. Европы.
Иностранцы под «Российской Сибирью», обычно подразумевают Сибирь географическую( всё, что за Уральскими горами или ~75% территории РФ. Иначе говоря «где-то в РФ, но не в Мск, Питере и их окрестностях». И Чугуевка туда входит ), жители РФ в частности, да и Вост. Европы в общем, под Сибирью обычно подразумевают Сибирский Федеральный Округ, от которого до Чугуевки почти как до Москвы.
Serge78rus
25.12.2018 16:35Назревает вопрос: как, не используя позитронов и антиматерии, сделать на таких транзисторах комплементарную структуру?
vesper-bot
25.12.2018 16:48А нужна ли она? Если я правильно помню, комплементарная структура это просто способ уплотнения размещения транзисторов на одном кристалле. А вот как на вакууме создать n-p-n транзистор — вопрос имхо, ну или я чего-то не понимаю.
Serge78rus
25.12.2018 16:56Коплементарные структуры позволяют строить логические элементы, потребляющие энергию только во время переключения и имеющие очень небольшое потребление в статическом состоянии. Так работает вся (ну, или почти вся) современная логика.
timdorohin
25.12.2018 17:04Вы еще электронную лампу n-p-n обзовите. Что она, что сабж — униполярные устройства. А любой биполярный транзистор требует наличия двух типов носителей зарядов (Электроны и дырки в полупроводниках. Проводимость позитронами в вакууме теоретически есть, но вам не захочется рядом с подобным устройством находится, хе-хе).
В современных вычислительных системах используются полевые(униполярные) транзисторы двух типов проводимости, однако ранее существовали системы на транзисторах одного типа (NMOS, PMOS)juray
26.12.2018 00:18Дырочная проводимость — просто удобное представление для другой концентрации электронов. Реальный заряд-то всё равно электронами переносится.
timdorohin
26.12.2018 00:51Так-то да, только это «отсутствие электронов» часто ведет себя как настоящая частица, поэтому…
Во всяком случае без кристаллической решетки вещества, в вакууме, подобная проводимость, ЕМНИП, невозможна, поэтому или позитроны, или никак.
timdorohin
25.12.2018 16:55Никак. А зачем? NMOS и PMOS снисходительно смотрят на вас, TTL посмеивается.
Устройствами с одним типом проводимости десятки лет обходились, ничего не мешает вернуться к ним в вычислительных устройствах.Serge78rus
25.12.2018 16:57Мешает низкая скорость переключения и большое статическое потребление.
timdorohin
25.12.2018 17:10Увы у современного CMOS статическое потребление может и превышать динамическое. Не всегда, но раз LP и LPP процессы разработали значит прецедент был.
На самом деле потребление стоит сравнивать уже после реализации конкретного устройства, потому что там еще и разные типы логики и кодирования можно применять, как в свое время в NMOS уменьшали количество одновременно открытых транзисторов, и довольно успешно.Serge78rus
25.12.2018 17:43Вы, безусловно, правы в том, что в процессе гонки за нанометрами статическое потребление CMOS растет, но все же трудно себе представить возврат к NMOS.
timdorohin
25.12.2018 18:14У некоторых «высокочастотных» полупроводников подвижности носителей зарядов почти на порядок отличаются, там подобное и сейчас применяют. Органические полупроводники вообще почти все p-типа.
NMOS не NMOS, но что-то аналогичное, вероятно, будет.
VT100
25.12.2018 23:36А кроме того — у этих транзисторов может оказаться нехилая внутренняя обратная связь. Управляющего поля нет — эмиссия идёт полным ходом, напряжение на канале падает — эмиссия уменьшается. И наоборот.
А это поставит крест на их использовании в логике — только «тёплый ламповый» аналог.timdorohin
26.12.2018 00:07+1- Добавляем ускоряющую сетку… Ой, динатронный эффект появился!
- Добавляем экранирующую сетку...
- Слушайте, а чего так неэкономно расходуем количество элементов? Давайте добавим еще пару электродов чтоб один элемент сразу функцию 'И' реализовывал.
А на выходе получится гептод.Serge78rus
26.12.2018 09:42Полупроводниковый аналог гептода (не по количеству электродов, а функциональный) придумали давно — двухзатворный транзистор. Даже в союзе были КП306, КП350.
leonP4
26.12.2018 18:46Подобная статья была на хабре и даже с этими же картинками.
-> habr.com/post/227433
Alex777serg
26.12.2018 18:46Что за бред! — «Мы в Исследовательском центре Эймса в НАСА последние несколько лет разрабатывали транзисторы с вакуумным каналом (ТВК)»
Про такие приборы рассказывал на ютубе один инженер исследователь (из Сибири кажется) лет 10 назад сам видел. А теперь, видите ли, НАСА разрабатывает эти приборы!!! Ну кроме как продолжением откровенного предательства российской власти продавшей все наработки советских инженеров и ученых на запад назвать это никак не могу.Naves
27.12.2018 09:24Пусть лучше эти наработки ещё 20 лет в столе валяются, и человечество топчется в гигагерцовом диапазоне.
vesper-bot
Так вот какой процессор на выставке в анекдоте назвали ламповым!
8street
Теплым ламповым.