Сучасна ера електроніки почалася з ламп розжарювання, але не так, як ви б могли подумати. Неприємний ефект, який знижував ресурс лампочки розжарювання, використали, щоб створити головний компонент будь-якого електронного пристрою – електричний ключ для керування електричним струмом. Його поява дозволила створити логічні вузли без використання механічних реле, відкривши двері до масового поширення цифрових комп’ютерів.
Електричний ключ – основний елемент цифровогокомп’ютера
Комп’ютер – це машина, яка отримує на свій вхід певний сигнал, оброблює його за закладеним в нього алгоритмом і видає результат.
Майже усі сучасні комп’ютери є цифровими і двійковими.
Цифровий означає, що комп’ютер сприймає та видає лише чіткі рівні сигналу. Наприклад, діапазон від 0 до 0,8 Вольта вважатиметься цифровим нулем, а діапазон вище 0,8 Вольта – цифровою одиницею.
Двійковість означає, що комп’ютер сприймає лише два рівні сигналу, які перетворює в цифровий нуль та цифрову одиницю. Існував радянський комп’ютер «Сетунь», який працював на базі трійкової логічної системи, але трійкові апаратні компоненти значно складніші за двійкові і тому апаратно «Сетунь» був двійковим комп’ютером.
Отже, стає зрозуміло, що для реалізації двійкового цифрового комп’ютера потрібен якийсь апаратний елемент, який буде перемикатися в стани включено-вимкнено, імітуючи своїм станом цифрову одиницю та цифровий нуль.
Перші цифрові обчислювачі використовували для своєї роботи електромеханічні реле. Ці реле фізично підключали та розривали електричний ланцюг, реалізуючи цифрову одиницю та цифровий нуль.
Однак електромеханічні реле досить швидко зношуються при активній роботі і тому обчислювачі на їхній базі були дуже дорогими і малопоширеними.
Потрібно було винайти компонент, який би керував протіканням струму без фізичного розривання електричного ланцюга.
Вроджений дефект лампи розжарювання
На допомогу прийшла лампа розжарювання, а точніше, її вроджений дефект.
Лампа розжарювання концептуально дуже проста: візьміть будь-який матеріал та пропустіть крізь нього багато електричного струму. Згідно закону Ома матеріал почне нагріватися і чим більше струму крізь нього протікає, тим вище нагрів.
Нагрітий предмет світиться і чим вище нагрів, тим вища частота цього світла. Навіть ледь теплі предмети світяться, але в інфрачервоному діапазоні, невидимому для людського ока.
Проте можна пропустити крізь матеріал таку кількість струму, щоб він нагрівся до температури у тисячу градусів Цельсію. Такий рівень нагріву змушує матеріал світитися у видимому спектрі.
Власне, тому лампочка розжарювання є більше нагрівальним приладом – основне її випромінювання припадає на невидимий інфрачервоний спектр, і приблизно лише 2% спожитої енергії вона випромінює як видиме світло.
Спіраль лампи розжарювання нагрівається струмом, що протікає крізь неї, до температури приблизно 2000 градусів Цельсію.
Це дуже висока температура, при якій не витримують навіть такі тугоплавкі матеріали, як вольфрам.
Спіраль під час роботи випаровується і стає все тоншою, і згодом тоншає настільки, що будь-який поштовх чи навіть чергове вмикання лампочки розриває спіраль.
Випаруваний матеріал спіралі осідає на склі лампи у вигляді чорного нальоту. Виробники лампочок борються з таким вродженим дефектом, заповнюючи лампочку інертним газом, підвищуючи тиск у колбі лампи тощо.
Цей ефект, відомий як терміонна емісія відкривали кілька разів незалежно. Томас Едісон був одним з тих, хто працював над дешевою та довговічною лампочкою розжарювання і спостерігав подібне явище. І хоча вперше про ефект повідомлялося ще за 27 років до Едісона, але саме після спостереження Едісона про нього дізналася широка спільнота. Тому деякий час цей ефект навіть називався ефектом Едісона.
Ефект Едісона
Свою роботу Едісон проводив в електричних мережах постійного струму і це дозволило йому помітити цікавий факт: лампи чорніли лише з одного боку.
Якби Едісон працював в мережах змінного електричного струму, він би не зміг зробити своє відкриття, оскільки в таких мережах скло лампи покривається чорним всюди рівномірно. Ви можете переконатися в цьому самі, подивившись на якусь свою згорілу побутову лампочку розжарювання, адже у вас вона працювала в домашній мережі змінного струму.
Проте робота лампочки в мережі постійного струму означає, що струм у ній завжди тече в одному напрямку. І електрони, які вилітають з нагрітої спіралі, також летітимуть в одну область – їх притягує позитивний електрод.
Перші лампи розжарювання у своїй колбі не містили майже жодних газів – всередині був вакуум. Це було потрібно, щоб спіраль працювала довше кількох секунд. На повітрі розжарена спіраль майже миттєво вступає в хімічну реакцію з киснем та руйнується.
Відсутність газів в колбі лампи дозволяла летіти електронам зі спіралі на максимальну відстань – поки вони не зіткнуться зі склом лампи. З часом від такого бомбардування скло змінювало свій колір, поступово затемнюючись плямою.
Лампочка розжарювання прокладає дорогу цифровим комп’ютерам
Вдалий збіг обставин та спостережливість дозволила використати саме цей вроджений дефект лампочки розжарювання, яка працювала в мережі постійного струму, щоб створити перший електронний ключ – електронну лампу.
В 1904 році Джон Амброз Флемінг запатентував пристрій, який був дуже схожим на лампочку Едісона. Але пристрій Флемінга мав ще один додатковий електрод.
Надавши цьому електроду позитивний заряд відносно спіралі розжарювання, можна було направляти політ електронів до цього електрода. Якщо цей електрод був негативно заряджений відносно спіралі, електрони відлітали від нього.
Пристрій назвали терміонний діод і його почали використовувати у радіо. Адже людський голос та інші звуки – це частоти у десятки тисяч герц. Електромеханічні реле не могли працювати на такій швидкості. Внаслідок цього дальність телефонії та радіо була обмежена – електромеханічні реле не можна було використовувати для підсилення сигналу. Наприклад, дальність телефонного дзвінка у 1900-х роках обмежувалася 1300 км.
А ось терміонний діод добре підходив для підсилення високочастотних сигналів і він став незамінним компонентом радіо та телефонії. Цей діод також можна було використати для перетворення змінного струму в постійний.
Терміонний діод виявився дуже корисним винаходом і науковці почали його вдосконалювати. Наприклад, вони розмістили спіраль вертикально центрі, а інший електрод – у вигляді циліндру навколо неї. Така геометрія дозволила захоплювати більше електронів, збільшивши струм, який міг протікати в цьому пристрої.
В 1906 році Лі де Форест взяв діод та розмістив третій електрод посередині між електродами спіралі, отримавши тріод. Цей третій електрод був виконаний у вигляді металевої сітки, і змінюючи напругу на ній можна було контролювати потік електронів. Керуючи невеликою напругою на третьому електроді, можна було контролювати велику напругу на аноді тріода.
Так народилася вакуумна електронна лампа.
Поява такого пристрою дозволила створити ефективні високочастотні підсилювачі. З нею, наприклад, стали можливими трансконтинентальні дзвінки. Наприклад, вакуумні електронні лампи дозволили 25 січня 1915 року вперше подзвонити з Нью-Йорку до Сан-Франциско.
Радіо, телевізори та будь-яка інша електроніка до 1970-х років базувалася на електронних лампах. Лише наприкінці XX століття їх почали витісняти транзистори.
Поштовх до народження цифрового комп’ютера
Вакуумні електронні лампи стали також основою цифрових комп’ютерів.
Початком можна вважати 1937 рік, коли Клод Шеннон у своїй дисертації поєднав електронні схеми з цифровою математичною логікою – Булева алгебра. Це підрозділ математики, в якому працюють з двома станами: правда та неправда. Що легко конвертується в цифрову одиницю та цифровий нуль на рівні електричних схем.
Булева алгебра є основою сучасних комп’ютерів і з її допомогою створюються основні логічні блоки – AND, OR, XOR, NOR, NAND – для порівняння двох сигналів. Наприклад, блок AND видасть на своєму виході «правда» (цифрова одиниця), якщо на його вході буде два сигнали «правда» (цифрова одиниця). Якщо на вході один із сигналів буде «неправда» (цифровий нуль), блок AND видасть на виході «неправда» (цифровий нуль). А блок NAND – це інвертований AND, тобто видасть в таких же умовах протилежні значення.
До речі, назва типу флеш-пам’яті NAND, яка використовується у кожній флешці, картці microSD, смартфоні, SSD тощо походить саме від її способу реалізації за допомогою Булевої логіки.
Перший цифровий обчислювач
Того ж 1937 року Джордж Стібіц створив перший цифровий калькулятор. Ця машина могла додавати два однобітні двійкові числа. Утім, його калькулятор працював не на електронних трубках, а на електромеханічних реле і гучно клацав під час обрахунку. Вхідні числа та результат обрахунку показувалися світінням лампочок у двійковій системі числення.
Свій калькулятор Стібіц створив на власній кухні, і тому його пристрій згодом став відомим як Model K.
Електрична схема калькулятора Стібіца представляла собою пару логічних блоків Булевої алгебри – AND та XOR.
Було лише справою техніки наростити кількість блоків, щоб такий калькулятор міг виконувати складніші обчислення.
Стібіц зі своїми колегами із Bell Labs зробили саме це – через два роки вони мипустили Model I, яка мала понад 400 реле і могла додавати та множити два восьмирозрядних числа. Час обрахунку був 0,1 секунди. Складніші калькуляції займали до хвилини часу.
Протягом наступного десятиліття вони створили ще шість моделей калькуляторів, заснованих на реле. Деякі з них використовувалися віськовими США та космічним агентством National Advisory Committee for Astronautics (NACA), яке згодом стане називатися NASA.
Але, як було сказано на початку цієї статті, електромеханічні реле погано підходили для швидкісних та надійних комп’ютерів.
А суто електронний вакуумний тріод цілком підходив для створення швидкісних комп’ютерів.
Саме на вакуумних електронних лампах був побудований перший у світі програмований електронний комп’ютер ENIAC, який запрацював 10 грудня 1945 року. Він займав цілу кімнату, важив 30 тонн та споживав 175 кіловатт на годину. Ходили навіть чутки, що коли його вмикали у місті Фладельфія, де він розміщувався, пригасали лампи – так багато він споживав. Але це лише міська легенда, бо комп’ютер мав власний генератор саме для того, щоб не перевантажувати міську електромережу.
ENIAC був дуже швидким – він множив та ділив числа зі швидкістю 500 операцій за секунду. До того ж, його можна було програмувати на певну послідовність дій.
Директор лабораторії Лос Аламос, в якій створювали атомну та водневу зброю, сказав, що їхня робота була б неможлива без допомоги ENIAC.
Хоча вакуумні електронні лампи були значно надійнішими за електромеханічні реле, але вони все одно швидко зношувалися. В ENIAC раз на кілька дів замінювали чергову згорілу лампу.
Найдовший безперервний цикл роботи ENIAC склав 116 годин.
Зате він лампово світився і зігрівав, адже в його основі лежала просунута лампочка розжарювання, яка є здебільшого нагрівальним приладом.
Лише з появою транзистора, який дозволив керувати потоком електронів всередині суцільного кристалу кремнію, комп’ютери стали ще швидшими, холоднішими та надійнішими.
Але іноді бракує тих лампових відчуттів.
За матеріалами: Veritasium
