Вселенная «железа»

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)

«В вычислительных устройствах , в сущности, все уже изобретено — вплоть до всех возможных подходов и самых замысловатых конструкций. В них просто уже не осталось ничего, что можно было бы изобрести». Курт Панке, производитель калькуляторов, 1939 год.

Вселенная «железа»

Откуда компьютер, собственно, взялся и когда это произошло?

Любой школьник уверенно скажет — во второй половине XX века. И с треском пролетит мимо цели, поскольку первые «считалки» человечество освоило задолго до того, как наша эра пришла на смену не нашей.

Объясню на пальцах… Стоп — именно с них-то все и началось. Руки, помимо основной своей функции, работали еще и счетными приборами. Представляю, как радовались первооткрыватели двоичной системы счисления! Ведь палец может быть либо загнут (логический 0), либо разогнут (логическая единица). Изобретатель этой системы, вероятно, страшно гордился: ведь с ее помощью можно было «на пальцах» показать все числа от 0 до 1023! То есть в диапазоне от 0000000000 до 1111111111.

Однако современникам этот способ счета явно показался сложноватым. Для подсчета же убитых всем племенем мамонтов вполне хватало пальцев на одной руке. Поэтому реализация новых проектов в области информатики была отложена на неопределенный срок.

А точнее, примерно до пятого века до нашей эры, когда в мире активно начала развиваться торговля. И самые деятельные торговцы — древние египтяне и греки — быстро обнаружили, что прежний «пальцевый компьютер» устарел и для расчетов более непригоден. Именно тогда был придуман абак, первое механическое вычислительное устройство на основе примитивных каменных «процессоров» — счетных камней, размещавшихся на разрядных линейках. Каждая линейка имела значение на порядок большее, чем ее соседка снизу: камешек в первой линейке обозначал 1, во второй — 10, в третьей — уже 100. А поскольку линеек было много, то возможностей абака хватало купцам для подсчета даже крупнооптовых партий товара. Справедливости ради следует отметить, что прообраз абака был и в Вавилоне за три тысячи лет до нашей эры.

После изобретения абака мир на время успокоился. Появились тысячи разновидностей абаков — от стационарных до портативных, которые можно было носить в кармане. Абаки делали из железа, золота и серебра. Особым путем, как всегда, пошла Россия, создавшая собственную, несовместимую с остальными, модель деревянного абака, названную счетами: этот ископаемый гаджет благополучно дожил до наших дней.

Однако прогресс не стоял на месте: еще во втором столетии до нашей эры в Древней Греции существовали вычислительные механизмы, схожие с появившимися через тысячу лет арифмометрами! В 1901 году на борту затонувшего корабля, найденного вблизи греческого острова Антикитира, был обнаружен удивительный механизм, предназначение которого долгое время оставалось неясным. Лишь полная реконструкция «Антикитирского механизма», проведенная в конце 2006 года, доказала, что сложная система из 30 с лишним зубчатых колес использовалась для астрономических расчетов! Похожее устройство, созданное знаменитым греческим философом и ученым Посидонием, упоминалось в трактате Цицерона «О природе богов»: «Если бы скифам или бриттам показали сферу, сделанную недавно нашим другом Посидонием, которая, вращаясь, показывает движение Солнца, Луны и пяти блуждающих светил днем и ночью, в точности так, как и на небе, неужели бы хоть один из этих варваров не понял, что это есть создание мыслящего разума?» Увы, в скором времени «вычислитель Посидония» был забыт, и еще тысячу лет человечество провело в компании различных модификаций абака.

Очередной технологический прорыв случился в XVII веке — в начале «эпохи науки». На смену торговцам пришли ученые — именно они и стали инициаторами создания вычислительных устройств нового поколения. Первым достоин упоминания Джон Непер, шотландский барон-математик, в свободное время работавший над созданием «оружия смерти». Для ускорения этой важной работы Непер изобрел логарифмы, а в качестве приложения к ним — прибор, названный «счетными палочками». Эти палочки и стали его звездным часом, поскольку в оружейной области воинственный математик так и не преуспел. Счетные палочки Непера предназначались для простых арифметических вычислений, но именно через логарифмы, сводящие умножение к сложению. Первую же логарифмическую линейку (потомками которой мы пользуемся и сегодня) создал уже после смерти Непера англичанин Роберт Биссакар.

Изобретение Непера не открыло новую эпоху, а лишь закрыло старую — на смену «пальцевому двигателю» уже шли первые механические считающие устройства на основе зубчатых колес. Эти устройства были способны выполнять уже не два, а четыре арифметических действия и назывались «арифмометрами».

Прародителями этого вида счетных устройств стали… обычные механические часы, появившиеся еще в XI веке! По преданию, их создателем стал монах Герберт Аурельком, чья карьера после этого изобретения пошла в гору — через некоторое время он чудесным образом перевоплотился в папу Сильвестра II. Впрочем, в моду они вошли лишь в XIV веке, когда мастер Хендрик де Вик создал первые башенные часы для короля Карла V.

Итак, место «считающих камешков» абака заняли многочисленные шестеренки и зубчатые колеса. И это был очень важный шаг вперед, поскольку новые счетные устройства работали быстрее и комфортнее старых. Они научились выполнять действия, принципиально невозможные для абака. Помимо операций сложения и вычитания, механические арифмометры освоили умножение и деление — а некоторые, самые продвинутые, были способны выполнять и более сложные операции!

Абак помог людям представлять большие числа в максимально компактной форме. Зубчатое же колесо впервые позволило автоматизировать часть операций, выполняя их без участия человека. Стоило сделать лишь один зубчик колеса чуть больше остальных, как появилась возможность шагового перехода от одного разряда к другому. Совершает маленькое колесо полный оборот — и, цепляя выросшим зубчиком своего соседа, продвигает его на одно деление вперед. А ведь таких колес могло быть много, очень много…

Уже в средневековье талантливые механики и математики пытались приспособить часовое колесо под более сложную работу, чем вращение стрелки. Конечно, одно колесо само по себе мало что могло, но их правильно составленная комбинация привела к появлению первых считающих устройств. Автоматизация, возможность одновременного выполнения нескольких операций «в одно касание» — вот что подарило нам зубчатое колесо!

В 1624 году математик Вильгельм Шиккард создал первое механическое считающее устройство, о котором подробно поведал в письме к своему другу, астроному Кеплеру. К сожалению, до широкой общественности его изобретение так и не дошло — через восемь лет эпидемия чумы прервала жизненный путь изобретателя, а его машина вскоре погибла во время пожара.

Но прогресс было уже не остановить — и через двадцать лет другой талантливый математик и философ, Блез Паскаль, создал свой «вычислитель». Увы, его арифмометр так же попал в дурные руки — им завладело местное налоговое ведомство, которое с тех пор стало работать гораздо активнее (пожалуй, первый успешный пример внедрения новых технологий в госучреждения).

Как это обычно и бывает, успешное изобретение начали клонировать конкуренты — и весь конец XVII и первая половина XVIII века прошли под знаком появления новых арифмометров. В числе самых удачливых последователей Паскаля — брат знаменитого сказочника Шарля Перро Клод, создавший вычислитель с зубодробительным названием «рабдологический абак», а также известный ученый Готфрид Лейбниц, создавший первый в мире вычислитель на основе двоичной системы.

Сложный зубчатый механизм творил настоящие чудеса — помимо выполнения четырех действий арифметики он умел извлекать квадратный корень! Казалось бы, столь явный шаг вперед не мог ускользнуть от внимания ученых, однако еще много лет созданный Лейбницем прибор пылился в его кладовой — для продолжения исследований и запуска товара на рынок не хватало денег. Лейбниц бросился на поиски спонсора за границу — в далекую Россию, где царствовал известный покровитель наук Петр Первый. Но удача ему так и не улыбнулась: «царь-плотник» отнесся к подаренному экземпляру арифмометра лишь как к диковинной игрушке, переправив его из запасника изобретателя в свой собственный.

Лишь в начале XVIII века дело сдвинулось с мертвой точки. Впрочем, некоторые относят начало эры коммерческих «считалок» аж к 1774 году. Первым дельцом в мире IT-технологий стал некий Филипп Маттхауз Хан, наладивший небольшое производство (а главное — сбыт) «считающих машин». Владельцами первых персональных «считалок» стали всего около десятка почтенных граждан — и все же это был настоящий прорыв!

Гораздо больше повезло французу Томасу де Кольмару, который сумел-таки запустить в начале XIX века понастоящему массовое производство арифмометров — именно благодаря его заслугам они начали свое победоносное шествие по миру! И в конце XIX века арифмометры превратились в настоящий товар массового спроса — во многом, кстати, благодаря самому успешному их продавцу, Витгольду Однеру, во второй половине XIX века наладившему массовое производство приборов в России! Именно из нашей страны эти компактные и недорогие устройства разошлись по всему миру: на долгие десятилетия арифмометры Однера стали мировым стандартом.

Однако не от них произошли современные компьютеры — потомками однеровских арифмометров стали калькуляторы и кассовые аппараты. А новый принципиально важный шаг в сторону компьютера был сделан в самом начале XIX века.

Но перед тем как рассказать об этом, остановимся еще на минутку и подумаем о том, чего именно не хватало арифмометрам, чтобы стать пусть примитивными, но все же компьютерами.

Они могли легко оперировать сложными числами, производя с ними все мыслимые арифметические действия, позволяли проводить многоступенчатые вычисления. Но все эти приспособления были предназначены только для ОДНОГО набора действий и научиться другому просто не могли. Для этого пришлось бы создавать абсолютно новое устройство. А между тем уже существовали механизмы куда более гибкие и обучаемые.

Вспомним простую шарманку, с которой ходил по дворам папа Карло, или ее более изящных родственников — музыкальные шкатулки. По сути, эти устройства близки к арифмометрам — они также работают по принципу «зубчато-колесного» двигателя или заменяющего его валика со шпеньками, и также позволяют автоматизировать сложнейший процесс извлечения музыки: достаточно лишь покрутить ручку, чтобы полилась мелодия.

Но некоторые модели этих древних «мультимедиа-устройств» умели то, что оказалось не под силу арифмометрам: они могли обучаться. Достаточно было лишь заменить в шкатулке один шпеньковый барабан на другой — и из нее лилась уже другая мелодия…

А что если это полезное свойство использовать не только в музыкальных игрушках?

Именно так и поступил лионский ткач Жозеф-Мари Жаккар, создавший первое в мире программируемое устройство — ткацкий станок, который мог самостоятельно, по заданной «программе» (подобной той, что заложена в музыкальной шкатулке), украшать ткань затейливыми узорами. При этом «программы», хранившиеся на металлической пластинке с отверстиями, можно было менять — и станок начинал работать уже по-иному! Свое изобретение Жаккар представил на Всемирной выставке в Париже (1804) и сумел привлечь к нему немало внимания. Это событие вызвало бурю негодования у его коллег-ткачей, справедливо полагавших, что «станок с программным управлением» оставит их без работы! Увы, бурные протесты им не помогли — уже через 15 лет станки Жаккара стали использоваться на крупнейших фабриках Франции.

Пока творение французского ткача покоряло мир, на другой стороне Ла-Манша делал свои первые наброски чертежей скучающий английский аристократ и математик Чарльз Бэббидж, который решил построить нечто, названное им «разностной машиной». По сути, это и был первый настоящий прообраз современного компьютера — механическое устройство, способное выполнять расчеты высокой степени сложности (первоначально Бэббидж хотел создать нечто вроде механического аналога логарифмической линейки). Это была еще не революция — всего лишь усовершенствованный арифмометр…

Но в начале 1833 года Бэббидж принялся за новый проект — «аналитическую машину». Взяв за основу творение Жаккара, математик хотел, чтобы его машина не просто считывала алгоритм с внешнего «носителя» (бумажной перфоленты), но и выводила результаты своей работы на такую же ленту! Кроме того, Бэббидж сразу же решил, что состоять его машина будет из нескольких различных блоков:

  • устройства для ввода и вывода данных;
  • «накопителя», в котором будут сохраняться промежуточные результаты;
  • «мельницы» для проведения вычислений;
  • направляющего устройства, которое будет контролировать работу «мельницы» и других устройств.

Наверное, Бэббидж в конце концов прекратил бы работу над этой грандиозной идеей (опередившей свое время лет на 50), если бы в дело не вмешалась женщина — юная Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона. Увлеченная математикой до безумия, она буквально гнала Бэббиджа вперед, не только придавая его идеям законченную и гармоничную форму, но и подбрасывая ему новые ценные мысли. Собственно, именно Ада Лавлейс всего за пару лет разработала принципы программирования и даже написала несколько программ для не существующей еще машины Бэббиджа.

Ни Бэббидж, ни Ада так и не увидели свое детище в работе — «аналитическая машина» так и осталась на бумаге, в виде горы чертежей и набросков. И лишь в XX веке она была построена группой американских студентов — как дань памяти «отцу компьютеров».

На создание своей так и не родившейся машины Чарльз Бэббидж потратил полжизни. А всего через двадцать лет после того, как его душа покинула наш мир, идеи математика были воплощены в жизнь молодым американским инженером Германом Холлеритом. И это уже было устройство новой эпохи — от него не веяло пышностью и непово- ротливостью технического средневековья. Функционально, удобно — и практично!

Стоит, правда, заметить, что в отличие от «анализирующей машины» Бэббиджа табулятор Холлерита не был универсальным устройством. Да и к «вычислителям» его можно отнести с трудом. Фактически единственное, что умело делать устройство — прогонять через себя бумажные пластинки-карты с пробитыми в определенном порядке отверстиями и считывать с них результаты с помощью металлических игл (если игла попадала в отверстие и касалась металлической подложки, цепь замыкалась и на счетчике результатов прибавлялась единица). Свою машину Холлерит создал специально для подсчета результатов переписи населения США, и идею с перфокартами ему, по легенде, подсказал железнодорожный кондуктор, прокомпостировавший билет прямо перед носом разбуженного изобретателя.

Если вдуматься, нового в изобретении Холлерита было немного. Да, он одним из первых использовал электричество при вычислениях — но такие попытки делались и ранее. Да, он использовал перфокарты в качестве носителей информации но это за столетие до него уже сделал Жаккар.

Главная заслуга Холлерита не в этом, и даже не в том, что с его подачи вычислительное устройство было впервые применено для решения задач общенационального масштаба. Гораздо более ценна его задумка — кодировать на перфокартах статистические данные: состав семьи, вероисповедание, пол опрашиваемых… Благодаря ему вычислитель впервые работал не просто с цифрами, а с закодированными данными! И сегодня, когда наши компьютеры с легкостью переваривают не только числа, но и текст, графику или звук, мы должны с благодарностью вспомнить о Холлерите.

Кстати, через несколько лет после завершения знаменитой переписи Холлерит возглавил небольшую компанию по производству и продаже вычислительных устройств Tabulating Machine Company, которая еще через два десятилетия получила название International Business Machines. Сокращенно — IBM. Стало быть, именно Холлерит стал в некотором роде «крестным отцом» наших современных персоналок, появившихся на свет именно благодаря этой компании.

Но до рождения компьютеров оставалось еще восемь десятилетий — и несколько поколений вычислительных устройств.

Перенесемся еще на три десятилетия вперед.

Этот «скачок» совершенно не значит, что между созданием табулятора Холлерита и интересующим нас концом тридцатых годов ничего не происходило. Конечно, выпускались десятки моделей все новых и новых вычислителей, считающие устройства становились все совершеннее, но и только. Несмотря на сочетание старых добрых зубчатых колес с новомодными электромеханическими реле, «вычислители» оставались всего лишь вычислителями.

Требовалось появление принципиально новой схемы работы, чтобы вывести эти устройства на качественно новый уровень. И такая схема была придумана немецким инженером Конрадом Цузе, еще в 1938 году создавшим первый вычислитель нового поколения — Z1, а через два года — улучшенные модификации Z2 и Z3.

Конрад Цузе - Konrad Zuse на фоне Z3

Конрад Цузе (Konrad Zuse) на фоне Z3

Как и неосуществленный проект Бэббиджа, машина Цузе состояла из нескольких блоков: управляющее устройство, вычислительный блок на основе 2600 электромеханических реле, устройство ввода-вывода и, наконец, память! Последнее стоит отметить особо: именно Цузе создал первый образец механической «оперативной памяти» (на основе подвижных металлических стержней) и получил на него патент в 1936 году. Таким образом, его устройство умело сохранять в своей памяти промежуточные результаты расчетов — а значит, и выполняемые им операции могли быть намного сложнее.

По современным меркам, скорость работы вычислителя Цузе была невелика — она составляла около 5 Гц (пять операций в секунду)! Для сравнения: процессор современного смартфона работает примерно в два миллиона раз быстрее! И все же машина Цузе могла понимать простейшие программы, вводимые с перфоленты, и содержала в себе практически все основные элементы современного компьютера.

По вполне понятным причинам довести свою разработку до совершенства Цузе не смог, хотя после войны продолжил работу в области компьютеростроения. А вот его американскому коллеге Говарду Эйкену повезло больше: созданный им в 1943 г. вычислитель Mark I исправно нес службу на благо военного ведомства США (в частности, ему было поручено рассчитывать баллистические таблицы для артиллерии).

Часть Harvard-IBM Марк 1

Часть Harvard-IBM Марк 1

В этом же году группа ученых во главе с Джоном Мочли и Преспером Эккертом начала работу над другой машиной, которой было суждено стать первым компьютером в истории . Речь идет о знаменитом ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator), первой вычислительной машине, сердцем которой стали электронные лампы (около 18 000), первом представителе первого поколения ЭВМ. Этот гигантский компьютер занимал площадь около 300 квадратных метров и мог работать без перерыва лишь несколько десятков минут: лампы то и дело перегорали, а выход из строя одной из них означал остановку всей машины.

Жизнь ENIAC была недолгой: он устарел уже к 1949 г., когда на свет появился его наследник — компьютер EDSAC, первая машина, способная сохранять программу в своей памяти. Еще через два года возник UNIVAC — первый компьютер, снабженный памятью на магнитных лентах. Одновременно с ним родилось и новое устройство — принтер, который использовался для вывода полученных результатов.

К началу пятидесятых годов относится и расцвет отечественной компьютерной индустрии. В 1950–1952 гг. группа Киевского института электротехники под руководством академика Лебедева создает уникальные компьютеры МЭСМ (Малая электронно-счетная машина) и БЭСМ (Большая электронно-счетная машина), признанные самыми мощными компьютерами в мире.

А летом 1948 года родилось устройство, которому было суждено стать сердцем всех настоящих компьютеров, вытеснив электронные лампы — транзистор! Именно транзисторы стали теми кирпичиками, из которых выросли современные процессоры.

Копия первого в мире работающего транзистора

Копия первого в мире работающего транзистора

Работает это нехитрое устройство по принципу… ну, скажем, таможни. Транзистор нахально усаживается на пути у электрического тока и делает вид, что он очень грозный и неприступный — мол, ни одного электрона через свое брюхо он не пропустит. Но помимо двух контактов — входного и выходного — у транзистора есть еще один — «за- твор». И если этому контакту предложить мзду в виде электрического сигнала — заметим, куда более слабого, чем входной поток! — то «затвор» гостеприимно распахнется: путь свободен! Этот фокус становится возможным благодаря хитрому материалу — «полупроводнику», который начинает пропускать через себя ток лишь при определенных условиях. При разработке первых транзисторов использовались дорогостоящие германиевые кристаллы, позднее их заменили на дешевый кремний.

Первоначально роль «переключателей» играли электронные лампы, устроенные по сходному принципу: два контакта, а в роли «затвора» — металлическая сетка. Однако лампочка уж больно прожорлива, громоздка, кушает много энергии. Но самое главное — живет недолго (у самых продвинутых ламп срок службы измеряется часами, а их, лампочек, в старых компьютерах были многие тысячи).

Вот почему изобретение в 1948 г. крохотного транзистора (его «отцами» стали американские физики Уолтер Браттайн, Джон Бардин и Уильям Шокли) оказалось настоящей революцией: теперь работу большой и капризной лампы мог выполнять элемент величиной с ноготь!

Транзистор - более подробно

Транзистор

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводнико́вый трио́д - радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем. Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности.

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год

Транзисторы по структуре, принципу действия и параметрам делятся на два класса — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора, управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком. Полевой транзистор, в отличие от биполярного, управляется напряжением, а не током. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT которые сейчас широко применяются в силовой электронике.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике. К 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности, экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной электроники. Благодаря своей способности работать при низких напряжениях и значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы, заложив основы микроэлектроники. С 1990-х в связи с появлением новых мощных транзисторов, стали активно вытесняться электронными устройствами трансформаторы, электромеханические и тиристорные ключи в силовой электротехнике, начал активно развиваться Частотно-регулируемый привод и инверторные преобразователи напряжения.

На принципиальных схемах транзистор обозначается «VT» или «Q». До 1970-х гг. в русскоязычной литературе и документации также применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Изобретение транзистора, являющееся одним из важнейших достижений XX века, стало следствием длительного развития полупроводниковой электроники, которое началось в 1833 году, когда Майкл Фарадей провёл первые эксперименты с полупроводниковым материалом — сульфидом серебра. В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун впервые обнаружил явление односторонней проводимости контакта металл—полупроводник. В 1906 году инженер Гринлиф Виттер Пиккард изобретает точечный полупроводниковый диод-детектор. В 1910 году английский физик Уильям Икклз (англ.)русск. обнаружил у некоторых диодов способность генерировать электрические колебания, а инженер Олег Лосев в 1922 году самостоятельно разработал прообраз туннельного диода, с помощью которого впервые успешно использовал усилительные и генераторные свойства полупроводников (Кристадинный эффект), в детекторных и гетеродинных радиоприёмниках собственной конструкции. Особенностью этого периода развития было то, что физика полупроводников была ещё плохо изучена, все достижения являлись следствием экспериментов, учёные затруднялись объяснить, что происходит внутри кристалла, часто выдвигая ошибочные гипотезы. В то же время на рубеже 1920-30 годов в радиотехнике началась эпоха бурного индустриального развития электронных ламп, физика которых была изучена, и в этом направлении работала основная масса учёных-радиотехников, в то время как хрупкие и капризные полупроводниковые детекторы открытой конструкции, в которых нужно было при помощи металлической иглы вручную искать на кристалле «активные точки», стали уделом кустарей-одиночек и радиолюбителей, строивших на них простейшие радиоприемники. Потенциальных перспектив полупроводников никто не видел.

Создание биполярного и полевого транзисторов произошло разными путями.

Полевой транзистор

Первый шаг в создании полевого транзистора сделал австро-венгерский физик Юлий Эдгар Лилиенфельд, который предложил метод управления током в образце путём подачи на него поперечного электрического поля, которое, воздействуя на носители заряда, будет управлять проводимостью. Патенты были зарегистрированы в Канаде (22 октября 1925 года) и Германии (1928 год). В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. в Великобритании также запатентовал «бесконтактное реле», основанное на аналогичном принципе. Однако несмотря на то, что полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля и по физике проще биполярных, создать работоспособный образец долго не удавалось. Разработчики не могли обойти неизвестные на тот момент явления в поверхностном слое полупроводника, которые не позволяли управлять электрическим полем внутри кристалла у транзисторов такого типа (МДП-транзистор — металл, диэлектрик, полупроводник). Работоспособный полевой транзистор был создан уже после открытия биполярного транзистора. В 1952 году Уильям Шокли теоретически описал модель полевого транзистора другого типа, модуляция тока в котором, в отличие от ранее предложенных МДП структур, осуществлялась изменением толщины проводящего канала за счёт расширения или сужения обеднённой области, прилегающего к каналу р-n-перехода. Это происходило при подаче на переход управляющего напряжения обратной полярности. Транзистор вошёл в практику под названием «полевой транзистор с управляющим р-n-переходом» (поверхностные явления устранялись, так как проводящий канал находился в глубине кристалла). Первый полевой МДП-транзистор, запатентованный ещё в 1920-е годы и сейчас составляющий основу компьютерной индустрии, впервые был изготовлен в 1960 году после работ американцев Канга и Аталлы, предложивших в качестве диэлектрика формировать на поверхности кремниевого кристалла тончайший слой двуокиси кремния, которая изолировала металлический затвор от проводящего канала, получив тем самым МОП-структуру. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

Биполярный транзистор

В отличие от полевого, первый биполярный транзистор создавался экспериментально, а его принцип действия был открыт уже позднее. В 1929—1933 гг., в ЛФТИ, Олег Лосев под руководством А. Ф. Иоффе провёл ряд экспериментов с полупроводниковым устройством, конструктивно повторяющим точечный транзистор на кристалле карборунда (SiC), однако достаточного коэффициента усиления получить не удалось. Изучая явления электролюминесценции в полупроводниках, Лосев исследовал около 90 различных материалов, особенно выделяя кремний, и в 1939 году он вновь упоминает о работах над трёхэлектродными системами в своих записях, но начавшаяся война и гибель инженера в блокадном Ленинграде зимой 1942 года привели к тому, что некоторые его работы оказались утеряны и сейчас неизвестно, насколько далеко он продвинулся в создании транзистора. В начале 1930-х годов точечные трёхэлектродные усилители изготовили также радиолюбители Ларри Кайзер из Канады и Роберт Адамс из Новой Зеландии, однако их работы не были запатентованы и не подвергались научному анализу.

Успеха добилось опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph, с 1936 году в нём, под руководством Джозефа Бекера, работала группа ученых специально нацеленная на создание твердотельных усилителей. До 1941 года изготовить полупроводниковый усилительный прибор не удалось (предпринимались попытки создания прототипа полевого транзистора). После войны, в 1945 году, исследования возобновились под руководством физика-теоретика Уильяма Шокли, после ещё 2 лет неудач, 16 декабря 1947 года, исследователь Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала. Последующее изучение открытия, совместно с теоретиком Джоном Бардиным показало, что никакого эффекта поля нет, в кристалле идут ещё не изученные процессы, это был не полевой, а неизвестный прежде, биполярный транзистор. 23 декабря 1947 года состоялась презентация действующего макета изделия руководству фирмы, эта дата стала считаться датой рождения транзистора. Узнав об успехе, уже отошедший от дел Уильям Шокли, вновь подключается к исследованиям и за короткое время создает теорию биполярного транзистора, в которой уже наметил замену точечной технологии изготовления, более перспективной, плоскостной. Первоначально новый прибор назывался «германиевый триод» или «полупроводниковый триод», по аналогии с вакуумным триодом - электронной лампой схожей структуры, в мае 1948 года в лаборатории прошел конкурс на оригинальное название изобретения, в котором победил Джон Пирс (John R. Pierce), предложивший слово «transistor», образованное путём соединения терминов «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор) или, по другим версиям, от слов «transfer» — передача и «resist» — сопротивление. 30 июня 1948 г. в штаб-квартире фирмы в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был изготовлен радиоприемник. И все же, мировой сенсации не состоялось, первоначально открытие не оценили по достоинству, ибо первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие характеристики, только в 1956 году Уильям Шокли (en:William Shockley), Уолтер Браттейн (en:Walter Houser Brattain) и Джон Бардин (en:John Bardeen) были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» [10]. Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Создание биполярного транзистора в Европе

Параллельно с работами американских ученых, в Европе, биполярный транзистор был создан физиком-экспериментатором Гербертом Матаре (en:Herbert Mataré) и теоретиком Генрихом Велкером (en:Heinrich Welker). В 1944 году, Герберт Матаре, работая в фирме Телефункен, разработал полупроводниковый «дуодиод» (двойной диод), который, конструктивно был похож на будущий точечный биполярный транзистор. Прибор использовался в радиолокационной технике, как два, близких по параметрам, выпрямительных точечных диода, выполненных на одном кристалле германия. Тогда же Матаре впервые обнаружил влияние тока одного диода на параметры другого и начал исследования в этом направлении. После войны Герберт Матаре, в Париже, встретился с Иоганном Велкером, где оба физика, работая в филиале американской корпорации Westinghouse Electric, продолжили эксперименты над дуодиодом в инициативном порядке. В начале июня 1948 года, ещё не зная о результатах исследований группы Шокли в Bell Labs, они на основе дуодиода создали стабильно работающий биполярный транзистор, который был назван «транзитрон», однако, патентная заявка на изобретение, отправленная в августе 1948 года, рассматривалась французским бюро патентов очень долго и только в 1952 году был получен патент на изобретение. Серийно выпускаемые фирмой Westinghouse транзитроны, несмотря на то что по качеству они успешно конкурировали с транзисторами, также не смогли завоевать рынок и вскоре работы в этом направлении прекратились.

Развитие транзисторных технологий

Несмотря на миниатюрность и экономичность, первые транзисторы отличались высоким уровнем шумов, маленькой мощностью, нестабильностью характеристик во времени и сильной зависимостью параметров от температуры. Точечный транзистор, не являясь монолитной конструкцией, был чувствителен к ударам и вибрациям. Фирма-создатель Bell Telephone Laboratories не оценила перспективы нового прибора, выгодных военных заказов не ожидалось и лицензия на изобретение вскоре начала продаваться всем желающим за 25 тыс. долларов. В 1951 году был создан плоскостной транзистор, конструктивно представляющий собой монолитный кристалл полупроводника, и примерно в это же время появились первые транзисторы на основе кремния. Характеристики транзисторов быстро улучшались и вскоре они стали активно конкурировать с электронными радиолампами.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров. В начале 21-го века транзистор стал одним из самых массовых изделий, производимых человечеством. В 2013 году на каждого жителя Земли было выпущено около 15 миллиардов транзисторов (большинство из них - в составе интегральных схем).

С появлением интегральных микросхем началась борьба за уменьшение размера элементарного транзистора. В 2012 году самые маленькие транзисторы содержали считанные атомы вещества. Транзисторы стали основной частью компьютеров и других цифровых устройств. В некоторых конструкциях процессоров их количество достигало более миллиарда штук.

С переходом на транзисторы компьютеры стремительно уменьшились в размерах: «вычислитель», ранее требовавший помещения размером с заводской цех, стал умещаться в небольшой комнате! Так, в 1955 г. фирма Bell Laboratories создает первый транзисторный компьютер второго поколения TRADIC, содержащий 800 транзисторов и 10 000 диодов, а в 1960 г. компания DEC выпустила легендарный «мини»-компьютер PDP-1, умещавшийся в углу небольшой комнаты.

Но эволюция компьютеров на этом не остановилась: размеры транзисторов постоянно уменьшались… И 12 сентября 1958 г. в электронном мире произошла новая революция: сотрудник компании Texas Instruments Джек Килби придумал элементы, объединяющие множество транзисторов — интегральные схемы. Первая из них содержала всего пять транзисторов, позднее их число увеличилось до десятков и даже сотен!

Джек Килби (Jack St. Clair Kilby)

Джек Килби (Jack St. Clair Kilby)

Появление интегральных микросхем породило новый вид вычислительных машин — компьютеры третьего поколения, ЭВМ, способные выполнять 300 млн операций в секунду. Именно для них были созданы первые операционные системы. Одними из самых успешных компьютеров третьего поколения стали вычислители серии IBM System/360 — то был первый по-настоящему массовый компьютер, продававшийся в количестве более 10 000 экземпляров в год! Для компьютеров данной серии выпускалось около 40 периферийных устройств, при этом впервые все модификации компьютеров и устройства были полностью совместимы между собой.

Но и этому поколению компьютеров оставалось жить недолго: уже в 1971 г. мудрый доктор Хофф (американцы несколько фамильярно зовут его Тедом, но нам не помешает знать полное имя — Маршиан Эдвард Хофф) с командой инженеров из Intel сконструировал первый микропроцессор. Во всяком случае, так принято считать — хотя в действительности еще в 1968 г. инженеры Рэй Холт и Стив Геллер создали подобную универсальную микросхему SLF для бортового компьютера истребителя F-14. Но их разработка так и осталась в хищных когтях ястребов из Пентагона, в то время как детище Intel ждала иная судьба. Изначально процессор 4004 предназначался для микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу японской компании Busicom. Но ввиду финансовых трудностей японцы из проекта тихо испарились, и разработка перешла в собственность не ожидавшей такого счастья Intel.

А через несколько лет после процессора появились и первые персоналки — начиная с Atair 8800 (1975), для которой писал первые программы основатель Microsoft Билл Гейтс, и первого компьютера Apple I (1976) Стива Джобса и Стива Возняка — и дальше, дальше. Вплоть до рождения первого настоящего ПК IBM PC (1980), вместе с которым в мир пришел DOS, а затем — и Windows. Впрочем, если вас интересует история персоналок, а также эпопея противостояния Apple и Miсrosoft, посмотрите лучше старый, но крайне удачный фильм «Пираты Силиконовой долины» (сделав поправку на то, что долина-то на самом деле Кремниевая).

Само интересное, что с середины 80-х наш старина компьютер не очень-то изменился. Да, частота процессоров выросла в несколько тысяч раз, объем оперативной памяти теперь измеряется не килобайтами, а гигабайтами, а место классических жестких дисков заняли компактные и быстрые SSD-накопители… Но в общем и целом картина не поменялась. А единственной по-настоящему революционной переменой стало появление смартфонов и планшетов — в 2005 и 2010 году соответственно. Но и они работают под управлением все тех же процессоров, которые архитектурно не слишком-то изменились за два десятилетия. Правда, обзавелись новыми модулями — сегодняшние процессоры отвечают и за обработку и вывод видеоизображения, а ведь еще в конце прошлого десятилетия для этого нужна была отдельная видеоплата.

Конечно, нынешние процессоры работают чуть-чуть быстрее своих предков: если в первом Intel 4004 содержалось всего лишь 2300 транзисторов, то в новейшем Core i7 их уже почти 2,5 миллиарда, а размер одного транзистора в современном процессоре не превышает 14 нанометров. Для наглядности поясним, что на кончике человеческого волоса может поместиться более 5000 транзисторов!

Сегодня мы стоим на пороге появления компьютеров нового, пятого поколения, основанного на нанотехнологиях: в них роль хранителей и обработчиков информации возьмут на себя уже не кремниевые процессоры, а особые органические молекулы! Удивляться тут нечему: достаточно вспомнить об одном из самых емких запоминающих устройств на нашей планете — молекуле ДНК, которая обладает рекордной плотностью записи информации: для хранения одного гена она использует комбинацию всего лишь 32 атомов! Для сравнения — в современной памяти на основе кремниевых микросхем для хранения одного-единственного бита используется более 20 атомов!

А если пойти еще дальше, до самого теоретического предела — носителя, где один бит информации соответствует одному-единственному атому? Возможно и это — правда, пока только в теории. Американский ученый Ричард Фейнман, один из авторов концепции «атомной памяти», подсчитал, что, используя «идеальный» носитель, можно сохранить всю созданную человечеством информацию на крохотном кубике с размером граней не более 0,1 мм!

Вот так, потихоньку, и проникал компьютер в нашу жизнь, постепенно эволюционировав от груды железа с лампочками до простенького и компактного бытового прибора. Однако выбирать его с каждым годом становится все труднее: прилавки компьютерных магазинов неожиданно превратились в «чудесный вертоград», в котором задумчиво пасутся десятки видов не похожих друг на друга компьютерных созданий, отличающихся не только цветом шкуры и брендом на оной, но и самой сутью своей. Поставьте рядом громадный «десктоп» и крохотную 7-дюймовую планшетку — похожи? А тем не менее все это — компьютеры, и используются они для одной и той же работы. Хотя у каждого есть свои особенности.

Источник: Книга Новейшая энциклопедия 2016( Автор – Виталий Леонтьев)
и Свободная энциклопедия - Wikipedia.org

Обсудить на форуме

Смотрите также:

 

You have no rights to post comments