РЕВОЛЮЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ:
от механических машин к суперкомпьютерам будущего
Если бы не транзисторы, чехлы под наши планшеты и ноутбуки были бы грузовиками, а сами девайсы весили бы по несколько тонн. А уж о законе Мура про удвоение скорости микропроцессоров каждые два года приходилось бы только мечтать.
В общем, без транзисторов мы бы до сих пор наслаждались исключительно тёплым ламповым звуком и чертыхались бы из-за горячих и ненадёжных ламповых компьютеров.
Так что транзисторы сегодня можно встретить буквально везде — в наушниках, зарядке от телефона, в самом телефоне, датчике протечки воды, холодильнике, умном чайнике, читалке и любых других девайсах хотя бы с минимальными «мозгами».
В этом спецпроекте мы расскажем, какой была радиоаппаратура до изобретения транзисторов, как и кем был изобретён транзистор, как устроены и как работают транзисторы.
Для начала разберёмся, как компьютер проводит вычисления, — это поможет лучше понять, для чего были нужны транзисторы и их предшественники и как они использовались в производстве ЭВМ.
Вообще, любая картинка, музыка или нейросеть фактически держится только на операциях сложения. То есть достаточно научить компьютер складывать числа, чтобы он мог сделать всё что угодно :)
А как же вычитание, деление и умножение? Тут всё просто: вычитание представляется как прибавление отрицательного числа, умножение — как серия прибавлений числа к самому себе, а деление — как последовательное вычитание делителя из делимого (если вы тоже своего рода программист, то наверняка теперь понимаете, откуда берётся целочисленное деление).
Раз у нас есть база — сложение, то давайте посмотрим, как оно работает. Тут используются логические операции AND (логическое И), XOR (исключающее ИЛИ) и OR (логическое ИЛИ), а также куча других вариантов. Некоторые из них мы разберём подробнее.
Чтобы посмотреть схему логической операции,
нажмите на кнопку, которая находится рядом с заголовком
Если на вход элемента, который отвечает за логическое И, подать две единички, то результатом будет единичка (или true). Во всех остальных случаях результатом будет ноль (или false).
Если на вход элемента, который отвечает за логическое ИЛИ, подать два ноля, то результатом будет тоже ноль (или false). Во всех остальных случаях — единичка (или true). Запомнить это тоже просто: чтобы получить единичку, на входе должна быть хотя бы одна единичка.
XOR капризничает и выдаёт ноль не только когда на входе два ноля, но и когда там две единички. На то он и исключающее ИЛИ. XOR как бы ставит нас перед жёстким выбором — либо единичка там, либо единичка сям. В противном случае — фигушки.
Итак, у нас есть двоичная система счисления, где 1 + 1 = 10. Теперь следите за руками. У нас есть простые единички, а есть разряды — то есть 2 в какой-либо степени. Чтобы сложить обычные единички, нам нужно исключающее ИЛИ (XOR) — этот оператор из двух нолей сделает ноль, из одной единички и ноля — единичку. Именно это нам и нужно — пропустить через него исключительно эти варианты. 1 + 1 в XOR тоже даст 0 — но в этом случае тот самый ноль, который обозначает дополнительный разряд числа.
А теперь фокус-покус — данные мы подаём одновременно на элемент XOR и элемент AND. XOR сложит 1 и 1 и выдаст 0, а AND, получив на вход те же 1 и 1, выдаст 1 — и эта единичка встанет слева. То, что мы получили, называется «полусумматор».
Вот как выглядит его схема.
Но полусумматор умеет складывать лишь маленькие числа. Как же нам теперь сложить, например, 10 и 11 (2 и 3 в десятичной системе счисления)?
Тут нам не обойтись без сумматора и дополнительного элемента — OR. Объяснять текстом подробно уже не будем — тут всё аналогично первой схеме, только побольше элементов.
Первые «калькуляторы» появились задолго до транзисторов, компьютеров и вообще открытия электричества. Вначале они были исключительно механическими, потом к ним добавились паровые и электродвигатели (но сами вычисления так и продолжали проводиться механически — с помощью каких-нибудь специальных пластин или шестерёнок.
У всех этих решений было два серьёзных недостатка: они были большими, а скорость вычислений — очень низкой. Даже в появившихся позднее реле для переключения состояния один проводник должен был физически коснуться другого. Что уж говорить о различных пластинах, штырьках и прочих физических элементах. Представьте: чтобы передать значение, вам надо механически переключить какой-то набор контактов. Дело небыстрое, а миниатюризации механические части почти не поддаются. В масштабах современных микропроцессоров даже крошечная блоха из «Левши» покажется Годзиллой или, скорее, «Звездой смерти».
Её воссоздали современные учёные по оригинальным чертежам. Причём детали изготавливали с той же точностью, на которую были способны ремесленники того времени. В итоге машина заработала — пусть и с несколькими конструктивными изменениями (они были непринципиальными, и сам Бэббидж легко бы их исправил в процессе отладки).
Английский математик. Создал механическую машину для вычисления значений функций, писал статьи о теории функций и экономике. Больше всего известен как создатель проекта разностной машины, фактически первой современной ЭВМ, а также принтера к ней для вывода информации. Сделал он это к 1833 году, но при жизни свою машину так до конца и не построил. Однако современные инженеры собрали машину по его чертежам — и в ней оказалась пара багов. И это вполне нормально, учитывая, что такие сложные механизмы всегда приходилось дорабатывать и исправлять «на проде».
Была пара багов, но доработали «на проде»
Немецкий инженер. В 1948 году разработал первый язык программирования высокого уровня — Планкалкюль. А ещё спроектировал несколько крутых по меркам того времени компьютеров — например, механический Z1 и электромеханический Z3. Механическая машина Z1 принимала данные с клавиатуры — десятичные числа с плавающей точкой.
А ещё её можно было программировать. И хотя в ней были электропривод и всякие лампочки, сами вычисления проводились механически.
Умею почти всё! Квадратные корни только вот не дались...
Экономист из Новой Зеландии. Автор кривой «имени самого себя», которая показывает зависимость между инфляцией и безработицей. В 1949 году он создал аналоговый компьютер MONIAC, который мог моделировать финансовые процессы Великобритании. Название — отсылка к первой ЭВМ ENIAC и слову money, «деньги».
Считаю ваши деньги
Внутри MONIAC была вода разных цветов и сложная система из поплавков, электродов и насосов. С помощью машины можно было показывать, как деньги из разных банков попадают в казну и уходят из неё дальше.
Немецкий математик. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, создал комбинаторику, двоичную систему счисления (привет битам), заложил основы математической логики. В 1672 году Лейбниц создал один из первых механических «компьютеров» — арифмометр, который умел умножать, делить, складывать и вычитать. И всё это без транзисторов :)
Билл Гейтс писал калькулятор Windows с меня!
Французский «универсальный солдат». Оставил значительный след в математике, физике, механике, литературе, теологии. Один из основателей матанализа, теории вероятностей и проективной геометрии. Открыл закон Паскаля, но не называл его так :)
В 1642 году создал суммирующую машину — что-то вроде цифрового калькулятора. В то время Паскалю было всего 19 лет, а его изобретение работало на благо налоговой службы Франции (там работал его отец) :) Складывать на этой машине можно было легко, а вот умножать и вычитать — уже сложновато, хотя тоже реально.
Помог своему бате
Австрийский инженер. В 1949 году выпустил карманный арифмометр Curta, который умел проводить операции сложения, вычитания, умножения, деления. В общем, это был дедушка наших смартфонов :)
Ада известна не тем, что она дочка знаменитого поэта Байрона. В отличие от отца-гуманитария она стала математиком — да ещё каким! Для машины Чарльза Бэббиджа Ада создала с нуля язык программирования, а также написала несколько первых программ и даже допустила несколько багов — современные инженеры проверили это, написав компилятор для её языка :)
А ещё она ввела такие фундаментальные для программирования понятия, как «цикл» и «рабочая ячейка».
Писала программы без компилятора
Первыми предшественниками транзисторов стали диоды. Первые диоды независимо друг от друга запатентовали Джон Флеминг (в 1904 году) и Гринлиф Пиккард (в 1906 году). Причём их диоды были разными.
Флеминг баловался с термоэлектронной эмиссией — это когда некое твёрдое тело испускает электроны в вакуум или почти вакуум. Соответственно, он запатентовал диод с термоэлектронной эмиссией. А Пиккард сразу запатентовал кремниевый диод.
Итак, у нас есть полупроводник — тот же кремний. Одну его половину мы искусственно насыщаем «дырками», то есть положительным зарядом (p — positive, анод), а другую — электронами, то есть отрицательным зарядом (n — negative, катод). Посередине у нас образуется так называемая зона p-n-перехода.
А теперь очередной фокус. Подключим к диоду источник питания — на катод подадим минус, а на анод — плюс. Что у нас получится?Минусовой заряд будет как бы выталкивать электроны из катода в сторону анода, а плюсовой заряд с анода как бы притягивать эти электроны. В итоге по диоду беспрепятственно пойдёт ток.
Если бы наши электроны были шарами, дырки — отверстиями под шары, а провода — трубками, то такой же эффект возник бы, если бы мы стали сильно дуть в трубку со стороны катода. Шарики бы покатились к дыркам.А теперь подключим элемент питания наоборот: на катод подадим плюс, а на анод — минус.
Через диод не пойдёт ток! И вот почему. Теперь электроны с катода будут притягиваться к плюсовому полюсу нашей батарейки, а дырки анода — к минусовому. В итоге зона p-n-перехода увеличится и не будет пропускать ток. Такая вот физика.Фишка диодов в том, что они могут выпрямлять переменное напряжение. Дело в том, что переменное напряжение — это когда в розетке постоянно меняется полярность: в один миг минус справа, а плюс слева, в другой — наоборот. Диод же пропускает ток всегда только в одном направлении, а значит, половину попыток розетки отфильтрует. В итоге у нас получится постоянный ток.
Итак, у нас уже есть готовые изобретённые транзисторы. Что с ними делать дальше? Правильно, уменьшать и уменьшать. Так сначала появились микросхемы (что-то вроде микродеталей, собранных на одной крошечной плате), а потом и современные микропроцессоры, на которых и «деталей» толком нет — только что-то вроде радужных нанодорожек. Звучит просто, но на деле это тоже был долгий процесс, куча успешных и ещё больше провальных экспериментов, проверка гипотез и победа человеческого разума над размерами :)