100 великих изобретений: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Следует отметить, что релейные машины, созданные на заре истории ЭВМ, недолго использовались в вычислительной технике, поскольку были сравнительно медленнодействующими. Так же как в механической машине скорость вычислений определялась скоростью поворота цифровых колес, время работы схемы, составленной из реле, равнялось времени срабатывания и отпускания реле. Между тем даже самые быстрые реле не могли делать больше 50 срабатываний в секунду. Например, в «Марк-2» операции сложения и вычитания занимали в среднем 0, 125 секунды, а умножение требовало 0, 25 секунды. Гораздо большим быстродействием обладали электронные аналоги электромеханических реле — вакуумные лампы-триггеры. Они и стали базовыми элементами в ЭВМ первого поколения.

Триггер был изобретен еще в 1919 году русским инженером Бонч-Бруевичем и независимо от него американцами Икклзом и Джорданом. Этот электронный элемент содержал две лампы, и в каждый момент мог находиться в одном из двух устойчивых состояний. Он представлял собой электронное реле, то есть при наличии сигнала управляющего импульса включал нужную линию или цепь электрического тока. Подобно электромеханическому реле он мог использоваться для обозначения одной двоичной цифры.

Рассмотрим принцип работы электронного реле, состоящего из двух электронных ламп-триодов Л1 и Л2, которые могут находиться в одном баллоне. Напряжение с анода Л1 через сопротивление R1 подается на сетку Л2, а напряжение с анода Л2 подается на сетку Л1 через сопротивление R2. В зависимости от положения, в котором находится триггер, он дает низкий или высокий уровень напряжения на выходе. Допустим вначале, что лампа Л1 открыта, а Л2 — закрыта. Тогда напряжение на аноде открытой лампы мало по сравнению с напряжением на аноде закрытой лампы. Действительно, так как открытая лампа Л1 проводит ток, то большая часть анодного напряжения падает (по закону Ома u=i•R) на высоком анодном сопротивлении Ra, а на самой лампе (включенной с ним последовательно) падает лишь незначительная часть напряжения. Наоборот, в закрытой лампе анодный ток равен нулю, и все напряжение источника анодного напряжения падает на лампе. Поэтому с анода открытой лампы Л1 на сетку закрытой лампы падает значительно меньшее напряжение, чем с анода закрытой лампы Л2 на сетку Л1. Отрицательное напряжение Ec, поданное на сетки обеих ламп, выбирается таким, чтобы вначале лампа Л2 была закрыта, несмотря на наличие небольшого положительного напряжения, поданного с анода открытой лампы Л1 на сетку Л2. Лампа же Л1 вначале открыта, так как положительное напряжение, поданное на сетку с анода Л2, значительно больше, чем Ec. Таким образом, благодаря связи между лампами через сопротивления R1 и R2 начальное состояние является устойчивым и будет сохраняться сколько угодно долго.

Рассмотрим теперь, что произойдет в схеме, если на сетку открытой лампы Л1 подать извне отрицательное напряжение в виде короткого импульса тока такой величины, чтобы закрыть ее. При уменьшении анодного тока i1 напряжение на аноде лампы Л1 резко увеличится и, следовательно, увеличится положительное напряжение на сетке Л2. Это вызовет появление анодного тока i2 через лампу Л2, благодаря чему уменьшится анодное напряжение на лампе Л2. Понижение положительного напряжения на сетке Л1 приведет к еще большему уменьшению тока в Л1 и т.д. В результате такого лавинообразного нарастающего процесса уменьшения тока в Л1 и увеличения тока в Л2 лампа Л1 закроется, а лампа Л2 будет открыта. Таким образом, схема перейдет в новое устойчивое положение равновесия, которое будет сохраняться сколько угодно долго: «запоминается» поданный на вход 1 импульс. Возвращение электронного реле обратно в исходное состояние можно осуществить подачей импульса отрицательного напряжения на вход. Триггер имеет, следовательно, два устойчивых положения равновесия: начальное, при котором Л1 открыта, а Л2 закрыта, и так называемое «возбужденное» состояние, при котором Л1 закрыта, а Л2 открыта. Время переброса триггера из одного состояния в другое очень мало. Конденсаторы C1 и C2 служат для убыстрения срабатывания лампы.

Идея вычислительной машины, в которой в качестве запоминающего устройства использовались бы электронные лампы, принадлежит американскому ученому Джону Моучли. Еще в 30-е годы он сделал несколько несложных вычислительных устройств на триггерах. Однако впервые электронные лампы при создании вычислительной машины применил другой американский математик Джон Атанасов. Его машина была уже практически завершена в 1942 году. Но из-за войны финансирование работы было прекращено. В следующем 1943 году, работая в Муровской электротехнической школе Пенсильванского университета, Моучли вместе с Преспером Эккертом разработал свой проект электронной вычислительной машины. Артиллерийское управление США заинтересовалось этой работой и заказало Пенсильванскому университету постройку машины. Руководителем работ был назначен Моучли. В помощь ему было дано еще 11 инженеров (включая Эккерта), 200 техников и большое число рабочих. В течение двух с половиной лет, до 1946 года, этот коллектив трудился над созданием «электронно-цифрового интегратора и вычислителя» — ЭНИАК. Это было огромное сооружение, занимавшее площадь 135 квадратных метров, имевшее массу 30 тонн и энергопотребление 150 киловатт. Машина состояла из сорока панелей, содержащих 18000 электронных ламп и 1500 реле. Однако использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов позволило резко увеличить скорость. На умножение ЭНИАК тратил всего 0, 0028 секунды, а на сложение — 0, 0002 секунды, то есть работал в тысячу раз быстрее самых совершенных релейных машин.

Устройство ЭНИАК в общих чертах было следующим. Каждые десять триггеров соединялись в нем в кольцо, образуя десятичный счетчик, который выполнял роль счетного колеса механической машины. Десять таких колец плюс два триггера для представления знака числа образовывали запоминающий регистр. Всего в ЭНИАК было двадцать таких регистров. Каждый регистр был снабжен схемой для передачи десятков и мог использоваться для выполнения операции суммирования и вычитания. Другие арифметические операции выполнялись в специальных блоках. Числа передавались из одной части машины в другую посредством групп из 11 проводников — по одному для каждого десятичного разряда и знака числа. Значение передаваемой цифры равнялось числу импульсов, протекавших по данному проводнику. Работой отдельных блоков машины управлял задающий генератор, вырабатывавший последовательность определенных сигналов, которые «открывали» и «закрывали» соответствующие блоки электронной машины.

Ввод чисел в машину производился при помощи перфокарт. Программное же управление осуществлялось посредством штекеров и наборных полей (коммутационной доски) — таким образом отдельные блоки машины соединялись между собой. Это было одним из существенных недостатков описываемой конструкции. На подготовку машины к работе — соединение блоков на коммутационной доске — уходило до нескольких дней, тогда как задача порой решалась всего за несколько минут. В целом ЭНИАК была еще достаточно ненадежной и несовершенной вычислительной машиной. Она часто выходила из строя, причем поиск неисправности затягивался порой на несколько суток. Кроме того, эта машина не могла хранить информацию.

Для устранения последнего недостатка Эккерт в 1944 году выдвинул идею хранимой в памяти программы. Это была одна из важнейших технических находок в истории вычислительной техники. Суть ее заключалась в том, что команды программы должны были представляться в виде числового кода, то есть кодироваться в двоичной системе (как и числа) и вводиться в машину, где бы они хранились вместе с исходными числами. Для запоминания этих команд и операций с ними предполагалось использовать те же устройства — триггеры, что и для действия с числами. Из памяти отдельные команды должны были извлекаться в устройство управления, где их содержание расшифровывалось и использовалось для передачи чисел из памяти в арифметическое устройство для выполнения операций над ними и отсылки результатов обратно в память.

Между тем по окончании Второй мировой войны одна за другой стали появляться новые электронные вычислительные машины. В 1948 году англичане Килбурн и Вильямс из Манчестерского университета создали машину «МАРК-1», в которой впервые была реализована идея хранимой программы. В 1947 году Эккерт и Моучли основали свою фирму, а в 1951 году наладили серийный выпуск своих машин UNIVAC-1. В 1951 году появилась первая советская ЭВМ МЭСМ академика Лебедева. Наконец, в 1952 году свой первый промышленный компьютер IBM 701 выпустила фирма IBM. Все эти машины имели в своей конструкции много общего. Об этих общих принципах работы всех ЭВМ первого поколения мы теперь и поговорим.

Электронные вычислительные машины, как известно, совершили настоящий переворот в области применения математики для решения важнейших проблем физики, механики, астрономии, химии и других точных наук. Те процессы, которые прежде совершенно не поддавались просчитыванию, стали вполне успешно моделироваться на вычислительных машинах. Решение любой задачи сводилось при этом к следующим последовательным шагам: 1) исходя из значения физической, химической и прочей сущности какого-либо исследуемого процесса формулировалась задача в виде алгебраических формул, дифференциальных или интегральных уравнений или других математических соотношений; 2) с помощью численных методов задача сводилась к последовательности простых арифметических операций; 3) составлялась программа, которая определяла строгий порядок выполнения действий в установленной последовательности. (ЭВМ осуществляла в принципе тот же порядок действий, что и человек, работающий на арифмометре, но в тысячи или десятки тысяч раз быстрее.) Команды составленной программы записывались с помощью специального кода. Каждая из этих команд определяла какое-либо определенное действие со стороны машины.

Любая команда, кроме кода проводимой операции, содержала в себе адреса. Обычно их было три — номера ячеек памяти, откуда брались два исходных числа (1-й и 2-й адрес), а затем номер ячейки, куда отправлялся полученный результат (3-й адрес). Таким образом, к примеру, команда +/17/25/32 указывала, что следует сложить числа, находящиеся в 17-й и 25-й ячейках и результат направить в 32-ю ячейку. Могла использоваться и одноадресная команда. В этом случае для выполнения арифметической операции над двумя числами и отсылки полученного результата требовалось три команды: первая команда вызывала одно из чисел из памяти в арифметическое устройство, следующая команда вызывала второе число и проводила заданную операцию над числами, третья команда отправляла полученный результат в память. Так осуществлялась работа вычислительной машины на программном уровне.

Вычислительные процессы при этом протекали следующим образом. Управление работой ЭВМ осуществлялось с помощью электронных ключей и переключателей, называемых логическими схемами, причем каждый электронный ключ при получении сигнала управляющего импульса напряжения включал нужную линию или цепь электрического тока. Простейшим электронным ключом могла служить уже трехэлектродная электронная лампа, которая заперта, когда на ее сетку подается большое отрицательное напряжение, и открывается, если на сетку подается положительное напряжение. Ее работу при этом можно представить как управляющий вентиль, который пропускает через себя импульс A, когда на второй его вход подан управляющий импульс B. Когда же имеется только один импульс тока A или B, то вентиль закрыт и импульс не проходит на его выход. Таким образом, только при совпадении по времени обоих импульсов A и B на выходе появится импульс. Такую схему называют схемой совпадений, или логической схемой "и". Наряду с ней в вычислительной машине используется целый набор других логических схем. Например, схема «или», которая дает на выходе импульс при появлении его на линии A или B или одновременно на обеих линиях. Другая логическая схема — схема «нет». Она, наоборот, запрещает прохождение импульса через вентиль, если одновременно подан другой запрещающий импульс, запирающий лампу.

С использованием двух этих схем можно собрать одноразрядный сумматор. Предположим, что импульсы A и B одновременно передаются на схемы «нет» и "и", причем со схемой «нет» связана шина (провод) «сумма», а со схемой "и" шина «перенос». Предположим, что на вход A поступает импульс (то есть единица), а на вход B не поступает. Тогда «нет» пропустит импульс на шину «сумма», а схема "и" не пропустит его, то есть в разряде будет значиться "1", что и соответствует правилу двоичного сложения. Предположим, что на входы A и B одновременно поступают импульсы. Это означает, что код числа A есть "1" и код B тоже "1". Схема «нет» не пропустит двух сигналов и на выходе «сумма» будет "0" Зато схема "и" пропустит их, и на шине «перенос» будет импульс, то есть "1" передастся в сумматор соседнего разряда.

В первых ЭВМ основным элементом памяти и арифметического суммирующего устройства служили триггеры. Триггерная схема, как мы помним, обладала двумя устойчивыми состояниями равновесия. Приписывая одному состоянию значение кода "0", а другому значение кода "1", можно было использовать триггерные ячейки для временного хранения кодов. В суммирующих схемах при подаче импульса на счетный вход триггера он переходил из одного состояния равновесия в другое, что полностью соответствовало правилам сложения для одного двоичного разряда (0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0 и перенос единицы в старший разряд). При этом первоначальное положение триггера рассматривалось как код первого числа, а подаваемый импульс — как код второго числа. Результат образовывался на триггерной ячейке. Для того чтобы осуществить суммирующую схему для нескольких двоичных разрядов, необходимо было обеспечить перенос единицы из одного разряда в другой, что и осуществлялось специальной схемой.

Сумматор был главной частью арифметического устройства машины. Сумматор параллельного сложения кодов чисел сразу по всем разрядам имел столько одноразрядных сумматоров, сколько двоичных разрядов содержал код числа. Складываемые числа A и B поступали в сумматор из запоминающих устройств и сохранялись там с помощью триггеров. Регистры также состояли из ряда соединенных между собой триггеров T1, T2, T3, Т'1, Т'2 и т.д., в которые код числа подавался из записывающего устройства параллельно для всех разрядов. Каждый триггер хранил код одного разряда, так что для хранения числа, имеющего n двоичных разрядов, требовалось n электронных реле. Коды чисел, хранящиеся в регистрах, складывались одновременно по каждому разряду с помощью сумматоров S1, S2, S3 и т.д., число которых было равно числу разрядов. Каждый одноразрядный сумматор имел три входа. На первый и второй входы подавались коды чисел A и B одного разряда. Третий вход служил для передачи кода переноса из предыдущего разряда.

В результате сложения кодов данного разряда на выходной шине сумматора получался код суммы, а на шине «перенос» код "1" или "0" для переноса в следующий разряд. Пусть, например, требовалось сложить два числа A=5 (в двоичном коде 0101) и B=3 (в двоичном коде 0011). При параллельном сложении этих чисел на входы A1, A2 и A3 сумматора соответственно подавались коды A1=1, A2=0, A3=1, A4=0 и B1=1, B2=1, B3=0, B4=0. В результате суммирования кодов первого разряда в сумматоре S1 получим 1+1=0 и код переноса "1" в следующий разряд. Сумматор S2 суммировал три кода: коды A2, B2 и код переноса из предыдущего сумматора S1. В результате получим 0+1+1=0 и код "1" переноса в следующий третий разряд.

Сумматор S3 складывает коды третьего разряда чисел A и B и код переноса "1" из второго разряда, то есть будем иметь 1+0+1=0 и снова перенос в следующий четвертый разряд. В итоге сложения на шинах «сумма» получим код 1000, что соответствует числу 8.

В 1951 году Джой Форрестер внес важное усовершенствование в устройство ЭВМ, запатентовав память на магнитных сердечниках, которые могли запоминать и хранить сколь угодно долго поданные на них импульсы.

Сердечники изготовляли из феррита, который получался смешением окиси железа с другими примесями. На сердечнике имелось три обмотки. Обмотки 1 и 2 служили для намагничивания сердечника в том или ином направлении с помощью подачи на них импульсов различной полярности. Обмотка 3 являлась обмоткой выхода ячейки, в которой индуцировался ток при перемагничивании сердечника. В каждом сердечнике путем его намагничивания хранилась запись одного импульса, соответствующая одному разряду какого-нибудь числа. Из сердечников, соединенных в определенном порядке, всегда можно было с большой скоростью выбрать нужное число. Так, если через обмотку сердечника подавали положительный сигнал, то сердечник намагничивается положительно, при отрицательном сигнале намагничивание было отрицательным. Таким образом, состояние сердечника характеризовалось записанным сигналом. При считывании через обмотку подавался сигнал определенной полярности, например положительный. Если перед этим сердечник был намагничен отрицательно, то происходило его перемагничивание — и в выходной обмотке (по закону электромагнитной индукции) возникал электрический ток, который усиливался усилителем. Если же сердечник был намагничен положительно, то изменения его состояния не происходило — и в выходной обмотке электрический сигнал не возникал. После выборки кода необходимо было восстановить первоначальное состояние сердечника, что и осуществлялось специальной схемой. Этот вид запоминающего устройства позволял производить выборку чисел за несколько микросекунд.

Большие объемы информации хранились на внешнем носителе, например на магнитной ленте. Запись электрических импульсов здесь была аналогична записи звука на магнитофон: через магнитные головки пропускали импульсы тока, которые намагничивали соответствующие места проходившей ленты. При считывании поле остаточного намагничивания, проходя под головками, наводило в них электрические сигналы, которые усиливались и поступали в машину. Точно так же информация записывалась на магнитный барабан, покрытый ферромагнитным материалом. В этом случае информацию можно было найти быстрее.

87. ТРАНЗИСТОР

Изобретение в конце 40-х годов XX века транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. Электронные лампы, которые до этого в течение долгого времени были непременным и главнейшим элементом всех радио — и электронных устройств, имели много недостатков. По мере усложнения радиоаппаратуры и повышения общих требований к ней, эти недостатки ощущались все острее. К ним нужно отнести прежде всего механическую непрочность ламп, малый срок их службы, большие габариты, невысокий КПД из-за больших тепловых потерь на аноде. Поэтому, когда на смену вакуумным лампам во второй половине XX века пришли полупроводниковые элементы, не обладавшие ни одним из перечисленных изъянов, в радиотехнике и электронике произошел настоящий переворот.

Надо сказать, что полупроводники далеко не сразу открыли перед человеком свои замечательные свойства. Долгое время в электротехнике использовались исключительно проводники и диэлектрики. Большая группа материалов, занимавших промежуточное положение между ними, не находила никакого применения, и лишь отдельные исследователи, изучая природу электричества, время от времени проявляли интерес к их электрическим свойствам. Так, в 1874 году Браун обнаружил явление выпрямления тока в месте контакта свинца и пирита и создал первый кристаллический детектор. Другими исследователями было установлено, что существенное влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. Например, Беддекер в 1907 году обнаружил, что проводимость йодистой меди возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, который сам по себе не является проводником.

Чем же объясняются свойства полупроводников и почему они приобрели столь важное значение в электронике? Возьмем такой типичный полупроводник, как германий. В обычных условиях он имеет удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в 1000000 миллионов раз меньше, чем у стекла. Следовательно, по своим свойства он все же несколько ближе к проводникам, чем к диэлектрикам. Как известно, способность того или иного вещества проводить или не проводить электрический ток зависит от наличия или отсутствия в нем свободных заряженных частиц.

Германий в этом смысле не является исключением. Каждый его атом четырехвалентен и должен образовывать с соседними атомами четыре электронных связи. Но благодаря тепловому воздействию некоторая часть электронов покидает свои атомы и начинает свободно перемещаться между узлами кристаллической решетки. Это примерно 2 электрона на каждые 10 миллиардов атомов. В одном грамме германия содержится около 10 тысяч миллиардов атомов, то есть в нем имеется около 2 тысяч миллиардов свободных электронов. Это в миллионы раз меньше, чем, например, в меди или серебре, но все же достаточно для того, чтобы германий мог пропускать через себя небольшой ток. Однако, как уже говорилось, проводимость германия можно значительно повысить, если ввести в состав его решетки примеси, например, пятивалентный атом мышьяка или сурьмы. Тогда четыре электрона мышьяка образуют валентные связи с атомами германия, но пятый останется свободен. Он будет слабо связан с атомом, так что небольшого напряжения, приложенного к кристаллу, будет достаточно для того, чтобы он оторвался и превратился в свободный электрон (понятно, что атомы мышьяка при этом становятся положительно заряженными ионами). Все это заметно меняет электрические свойства германия. Хотя содержание примеси в нем невелико — всего 1 атом на 10 миллионов атомов германия, благодаря ее присутствию количество свободных отрицательно заряженных частиц (электронов) в кристалле германия многократно возрастает. Такой полупроводник принято называть полупроводником n-типа (от negative — отрицательный).

Другая картина будет в том случае, когда в кристалл германия вводится трехвалентная примесь (например, алюминий, галлий или индий). Каждый атом примеси образует связи только с тремя атомами германия, а на месте четвертой связи останется свободное место — дырка, которую легко может заполнить любой электрон (при этом атом примеси ионизируется отрицательно). Если этот электрон перейдет к примеси от соседнего атома германия, то дырка будет в свою очередь у последнего. Приложив к такому кристаллу напряжение, получим эффект, который можно назвать «перемещением дырок». Действительно, пусть с той стороны, где находится отрицательный полюс внешнего источника, электрон заполнит дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизится к положительному полюсу, тогда как новая дырка образуется в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление с другим атомом. Новая дырка в свою очередь заполнится электроном, приближающимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка приблизится к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого движения электрон достигнет положительного полюса, откуда он направится в источник тока, дырка достигнет отрицательного полюса, где она заполнится электроном, поступающим из источника тока. Дырка перемещается так, словно это частица с положительным зарядом, и можно говорить, что здесь электрический ток создается положительными зарядами. Такой полупроводник называют полупроводником p-типа (от positiv — положительный).

Само по себе явление примесной проводимости еще не имеет большого значения, но при соединении двух полупроводников — одного с n-проводимостью, а другого с p-проводимостью (например, когда в кристалле германия с одной стороны создана n-проводимость, а с другой — p-проводимость) — происходят очень любопытные явления. Отрицательно ионизированные атомы области p оттолкнут от перехода свободные электроны области n, а положительно ионизированные атомы области n оттолкнут от перехода дырки области p. То есть p-n переход превратится в своего рода барьер между двумя областями. Благодаря этому кристалл приобретет ярко выраженную одностороннюю проводимость: для одних токов он будет вести себя как проводник, а для других — как изолятор.

В самом деле, если приложить к кристаллу напряжение большее по величине, чем «запорное» напряжение p-n перехода, причем таким образом, что положительный электрод будет соединен с p-областью, а отрицательный — с n-областью, то в кристалле будет протекать электрический ток, образованный электронами и дырками, перемещающимися навстречу друг другу.

Если же потенциалы внешнего источника поменять противоположным образом, ток прекратится (вернее, он будет очень незначительным) — произойдет только отток электронов и дырок от границы разделения двух областей, вследствие чего потенциальный барьер между ними увеличится.

В данном случае полупроводниковый кристалл будет вести себя точно так же, как вакуумная лампа-диод, поэтому приборы, основанные на этом принципе, назвали полупроводниковыми диодами. Как и ламповые диоды, они могут служить детекторами, то есть выпрямителями тока.