Леонид Черняк – История электронных компьютеров (страница 4)
Лампы как основа компьютеров первого поколения
Ламповая электроника позволила автоматизировать выполнение двоичных логических и арифметических операций – двух столпов всех существующих компьютеров. Отмечено всего три попытки создания троичных компьютеров. В середине XIX века ирландец Джон Фоулер построил деревянный макет, в 1960-х годах Н.П. Брусенцов на феррит-транзисторных троичных компонентах создал уникальную «Сетунь», а примерно в то же время в Канаде разрабатывался компьютер QTC-1, о котором почти ничего не известно. В последнее время появились сообщения о том, что IBM и Samsung ведут исследования в этом направлении.
Одной из причин доминирования двоичной системы является простота ее реализации. Атомами любой вычислительной инфраструктуры – от простейших компьютеров до суперкомпьютеров – служат двоичные триггеры, собранные в многоразрядные регистры для хранения данных и выполнения операций. Триггер – это компонент, способный занимать одно устойчивых состояний. Он может быть двоичным, троичным и так далее. Для наиболее используемых двоичных триггеров в английском языке используется образный термин flip-flop, по аналогии с пляжными шлепками.
Простейший двоичный триггер, будь то ламповый или полупроводниковый, собирается из двух триодов. Управляющий электрод одного триода (в лампе это сетка) подключается к аноду другого, и пара триодов сохраняет одно из двух устойчивых состояний. Если на сетку подать управляющий импульс, триггер переходит в другое состояние: одно состояние отождествляется с 0, другое – с 1. Триггер легко упаковывается в лампу типа двойной триод, которая хранит один разряд двоичного числа. Из двоичных триггеров формируются регистры для записи и хранения данных, с ними выполняются логические, арифметические и коммутационные операции. Из регистров собирается арифметико-логическое устройство (АЛУ) – главный компонент процессора.
Простота триггера оказалась гениальной: это устройство стало одним из важнейших кирпичей истории компьютеров. Обычно изобретение двоичного триггера приписывают британским физикам Уильяму Экклсу и Фрэнку Джордану. В 1918 году они подали патент на ионное реле (Improvements in Ionic Relays), подтвержденный в 1929 году. Устройство позволяло усиливать ток для телефонии и телеграфии, заменяя механические реле – ненадежные и медленные. Кстати, Экклс предложил термин diode – «трубка с двумя электродами» (от латинского di – «дважды» и hodos – «путь»), которое стало первым электронным устройством.
Меньше известно, что почти одновременно к идее электронного реле пришел российский инженер Михаил Александрович Бонч-Бруевич. В 1918 году он доложил о своем изобретении на заседании Российского общества радиоинженеров в сообщении «Комбинированные характеристики катодных реле». Он занимался этой темой с 1914 года, используя триггер для усиления радиосигнала. Более широко триггеры оказались востребованы только через двадцать лет, когда они стали основой компьютеров первого поколения (1945–1959).
Новая жизнь триггеров началась в 1940-х, точнее это произошло в 1942 году при создании экспериментального компьютера Атанасова-Берри (ABC), далее – в 1943 году в британском электронно-механическом компьютере Colossus в Блетчли-Парке, и, наконец, в 1945 году при создании полноценного электронного компьютера ENIAC. Теоретическое обоснование для дальнейшего развития двоичных логических схем появилось в работе Клода Шеннона «Математическая теория коммуникаций» (1948).
Ламповая электроника стала базой для компьютеров первого поколения (1940–1956). В них лампы использовались в центральном процессоре, а электроннолучевые и акустические трубки – в ранних конструкциях памяти. Использование недогруженных ламп обеспечивало высокую надежность и стабильность работы, что было критично для выполнения программ. Таким образом, ламповая электроника не только позволила автоматизировать вычисления, но и создала фундамент для всей последующей истории вычислительной техники.
История полупроводников и зарождение транзисторной эры
Ранние открытия: от Вольта до Брауна
Трудно поверить, но термин «полупроводник» старше «вакуумной лампы» на целых 60 лет! Первым его использовал Алессандро Вольта в докладе Лондонскому Королевскому обществу в 1782 году. Он наблюдал, как разные материалы ведут себя при замыкании ими контактов заряженного конденсатора: металлы вызывают мгновенный разряд, дерево и другие изоляционные материалы – нет. Материалы, при замыкании которых конденсатор разряжался не мгновенно, Вольта назвал полупроводниками.
В течение следующих 50 лет исследования ограничивались регистрацией удельного сопротивления материалов, находящихся между металлами и изоляторами. К современному пониманию полупроводников эти наблюдения не относятся.
Прогресс начался в 30-е годы XIX века, когда Майкл Фарадей обнаружил, что сульфид серебра обладает отрицательным температурным коэффициентом. В 1839 году Эдмонд Беккерель создал первый в мире фотоэлектрический элемент, прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую. В 1873 году Уиллоуби Смит впервые описал эффект фотопроводимости на кристаллическом селене – прообраз современных фоторезисторов.
В 1874 году Фердинанд Браун заметил, что сопротивление в кристаллах галенита меняется в зависимости от направления протекания тока. Так возник точечный электрический выпрямитель, собранный из металлической иглы и галенита. В начале XX века Гринлиф Пикард применил полупроводники для обнаружения радиосигналов, что дало толчок к созданию детекторных радиоприемников.
Лосев и кристадин
В начале 1920-х годов Олег Владимирович Лосев заметил эффект отрицательного дифференциального сопротивления на кристаллах оксида цинка. Одновременно он обнаружил свечение, ставшее много позже основой светодиодов. Лосев пытался использовать свое изобретение для усиления сигналов в радиоприемниках и передатчиках.
История Лосева – пример драматичной судьбы ученого, родившегося в неподходящее время и в неподходящем месте. Хотя ему и присвоили звание кандидата наук, большую часть жизни он провел на лаборантских должностях. Он остался в городе во время блокады в Ленинграде и умер от голода. На Западе его признали намного раньше – поклонником стал Хьюго Гернсбэк, который построил радиоприемник по спецификациям Лосева и написал статью в Radio News в 1924 году.
Механизм кристадинного эффекта до сих пор не полностью изучен. Многие специалисты связывают его с туннельным эффектом, но его природа отличается от туннельного диода.
Другие пионеры
Юлий Лилиенфельд, родившийся во Львове, предложил в 1926 году трехэлектродную полупроводниковую структуру, прообраз полевых транзисторов, и еще разработал электролитический конденсатор, который используется до сих пор. В 1935 году Оскар Хайль получил британский патент на свой вариант полевого транзистора. В 20–30-е годы другие исследователи отмечали проявления поверхностного полупроводникового эффекта, но это не приводило к практическим результатам. Крупный прорыв сделал британский физик-теоретик Алан Уилсон, опубликовавший в 1939 году книгу «Полупроводники и металлы».
Bell Labs и рождение транзистора
Планомерные исследования по созданию полупроводникового триода начались в 1936 году под руководством Мервина Келли в одном из крупнейших исследовательских центров своего времени Bell Labs. Он создал отдел по физике твердого тела и привлек к работе в нем Уильяма Шокли, Рассела Ола и Джека Скаффа. Ол случайно обнаружил первый полупроводниковый P-N переход, разрезав кремниевый слиток.
После Второй мировой войны работа продолжилась. Шокли и Стэнли Морган возглавляли отдел физики, привлекли Уолтера Браттейна, Джона Бардина и других. Они сосредоточились на кремнии и германии. В лаборатории Ола они увидели его «дезистеры» – устройства, напоминавшие кристадин Лосева.
Формально руководителем был Шокли, который разрабатывал проект полупроводникового усилителя на полевом эффекте. Его модель оказалась ошибочной – электроны локализовывались на поверхности полупроводника. Бардин и Браттейн исправили проблему и в декабре 1947 года создали полупроводниковый диод и усилитель, который лег в основу точечного транзистора. Шокли затем разработал инжекционный транзистор на P-N переходах – более практичный и простой в изготовлении.
26 февраля 1948 года Bell Labs подала две патентные заявки – одну Бардина и Браттейна, другую Шокли. Термин «transistor» возник как сочетание transresistance и созвучия с варисторами и термисторами. 30 июня 1948 года состоялась пресс-конференция, на которой объявили о транзисторе. Первый коммерческий точечный транзистор использовала Western Electric в 1951 году, но успех был ограничен.
Конфликты, приведшие к созданию будущего
Bell Labs раздирали острые личные и профессиональные конфликты. Уильям Шокли, совмещавший научный дар с высокой амбициозностью и неоднозначной социальной позицией, часто сталкивался с Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Эти разногласия носили как научный, так и личный характер: Шокли стремился к полному контролю над исследованиями, навязывал свои идеи и методы, в то время как Бардин и Браттейн обладали самостоятельным мышлением и практическими способностями.