Современная эра электроники началась с ламп накаливания, но не так, как вы могли бы подумать. Неприятный эффект, который снижал ресурс лампочки накаливания, использовали, чтобы создать главный компонент любого электронного устройства — элемент управления электрическим током. Его появление позволило создать логические узлы без использования механических реле, открыв двери массового распространения цифровых компьютеров.
Ключ – основной элемент цифрового компьютера
Компьютер – это машина, которая получает на свой вход определенный сигнал, обрабатывает его по заложенному в него алгоритму и выдает результат.
Почти все современные компьютеры цифровые и двоичные.
Цифровой означает, что компьютер воспринимает и выдает четкие уровни сигнала. Например, диапазон от 0 до 0,8 Вольта будет считаться цифровым нулем, а диапазон выше 0,8 Вольта – цифровой единицей.
Двоичность означает, что компьютер воспринимает только два уровня сигнала, которые преобразовываются в цифровой ноль и цифровую единицу. Существовал советский компьютер «Сетунь», работавший на базе троичной логической системы, но троичные аппаратные компоненты значительно сложнее двоичных и поэтому аппаратно «Сетунь» был двоичным компьютером.
Итак, становится понятно, что для реализации двоичного цифрового компьютера требуется некий аппаратный элемент, который будет переключаться в состояния включено-выключено, имитируя своим состоянием цифровую единицу и цифровой ноль.
Первые цифровые вычислители использовали для работы электромеханические реле. Эти реле физически подключали и разрывали электрическую цепь, реализуя цифровую единицу и цифровой ноль.
Однако электромеханические реле достаточно быстро изнашиваются при активной работе, и поэтому вычислители на их базе были очень дорогими и малораспространенными.
Нужно было изобрести компонент, управляющий протеканием тока без физического разрыва электрической цепи.
Врожденный дефект лампы накаливания
На помощь пришла лампа накаливания, а точнее ее врожденный дефект.
Лампа накаливания концептуально очень проста: возьмите любой материал и пропустите через него много тока. Согласно закону Ома материал начнет нагреваться и чем больше тока через него протекает, тем выше нагрев.
Нагретый предмет светится и чем выше нагрев, тем выше частота этого света. Даже теплые предметы светятся, но в инфракрасном диапазоне, невидимом для человеческого глаза.
Однако можно пропустить сквозь материал такое количество тока, чтобы он нагрелся до температуры в тысячу градусов Цельсия. Такой уровень нагрева заставляет материал светиться в видимом спектре.
Собственно, поэтому лампочка накаливания является более нагревательным прибором – основное ее излучение приходится на невидимый инфракрасный спектр, и примерно всего 2% потребленной энергии она излучает как видимый свет.
Спираль лампы накаливания нагревается током, протекающим сквозь нее, до температуры примерно 2000 градусов Цельсия.
Это очень высокая температура, при которой не выдерживают даже такие тугоплавкие материалы, как вольфрам.
Спираль во время работы испаряется и становится все тоньше, и впоследствии утончается настолько, что любой толчок или даже очередное включение лампочки разрывает спираль.
Испаряемый материал спирали оседает на стекле лампы в виде черного налета. Производители лампочек борются с таким врожденным дефектом, заполняя лампочку инертным газом, повышая давление в колбе лампы.
Этот эффект, известный как термионная эмиссия, открывали несколько раз независимо. Томас Эдисон был одним из тех, кто работал над дешевой и долговечной лампочкой накаливания и наблюдал подобное явление. И хотя впервые об эффекте сообщалось еще за 27 лет до Эдисона, но именно после наблюдения Эдисона о нем узнало широкое сообщество. Потому некоторое время этот эффект даже назывался эффектом Эдисона.
Эффект Эдисона
Свою работу Эдисон проводил в электрических сетях постоянного тока, и это позволило ему заметить интересный факт: лампы чернели только с одной стороны.
Если бы Эдисон работал в сетях переменного электрического тока, он бы не смог совершить свое открытие, поскольку в таких сетях стекло лампы покрывается черным повсюду равномерно. Вы можете убедиться в этом сами, посмотрев на свою сгоревшую бытовую лампочку накаливания, ведь у вас она работала в домашней сети переменного тока.
Однако работа лампочки в сети постоянного тока означает, что ток всегда течет в одном направлении. И вылетающие из нагретой спирали электроны также будут лететь в одну область — их притягивает положительный электрод.
Первые лампы накаливания в своей колбе не содержали почти никаких газов – внутри был вакуум. Это было нужно, чтобы спираль работала дольше нескольких секунд. На воздухе раскаленная спираль почти мгновенно вступает в химическую реакцию с кислородом и разрушается.
Отсутствие газов в колбе лампы позволяло лететь электронам из спирали на максимальное расстояние – пока они не столкнутся со стеклом лампы. Со временем от такой бомбардировки стекло меняло свой цвет, постепенно затемняясь пятном.
Лампочка накаливания прокладывает дорогу цифровым компьютерам
Удачное стечение обстоятельств и наблюдательность позволили использовать именно этот врожденный дефект лампочки накаливания, работавшей в сети постоянного тока, чтобы создать первый электронный ключ — электронную лампу.
В 1904 году Джон Амброз Флеминг запатентовал устройство, которое очень походило на лампочку Эдисона. Но устройство Флеминга имело еще один дополнительный электрод.
Предоставив этому электроду положительный заряд в отношении спирали накаливания, можно было направлять полет электронов в этот электрод. Если этот электрод был отрицательно заряжен по отношению к спирали, электроны улетали от него.
Устройство назвали термионным диодом и его стали использовать в радио. Ведь человеческий голос и другие звуки – это частоты в десятки тысяч герц. Электромеханические реле не могли работать на таковой скорости. В результате дальность телефонии и радио была ограничена – электромеханические реле нельзя было использовать для усиления сигнала. К примеру, дальность телефонного звонка в 1900-х годах ограничивалась 1300 км.
А вот термионный диод хорошо подходил для усиления высокочастотных сигналов и стал незаменимым компонентом радио и телефонии. Этот диод также можно использовать для преобразования переменного тока в постоянный.
Термионный диод оказался очень полезным изобретением и учёные начали его совершенствовать. Например, они разместили спираль в вертикальном центре, а другой электрод — в виде цилиндра вокруг нее. Такая геометрия позволила захватывать большее количество электронов, увеличив ток, который мог протекать в этом устройстве.
В 1906 году Ли де Форест взял диод и разместил третий электрод посредине между электродами спирали, получив триод. Этот третий электрод был выполнен в виде металлической сетки и изменяя напряжение на ней можно было контролировать поток электронов. Управляя небольшим напряжением на третьем электроде, можно было контролировать большое напряжение на аноде триода.
Так родилась вакуумная электрическая лампа.
Появление такого устройства позволило создать эффективные высокочастотные усилители. С ней, например, стали возможны трансконтинентальные звонки. К примеру, вакуумные электронные лампы позволили 25 января 1915 года впервые позвонить из Нью-Йорка в Сан-Франциско.
Радио, телевизоры и любая другая электроника до 70-х годов базировалась на электронных лампах. Лишь в конце XX века их начали вытеснять транзисторы.
Толчок к рождению цифрового компьютера
Вакуумные электронные лампы также стали основой цифровых компьютеров.
Началом можно считать 1937 год, когда Клод Шеннон в своей диссертации соединил электронные схемы с цифровой математической логикой – Булевая алгебра. Это подразделение математики, в котором работают с двумя сословиями: правда и неправда. Легко конвертируется в цифровую единицу и цифровой ноль на уровне электрических схем.
Булевая алгебра является основой современных компьютеров и с ее помощью создаются основные логические блоки – AND, OR, XOR, NOR, NAND – для сравнения двух сигналов. К примеру, блок AND выдаст на своем выходе «правда» (цифровая единица), если на его входе будет два сигнала «правда» (цифровая единица). Если на входе один из сигналов будет «неправда» (цифровой нуль), блок AND выдаст на выходе «неправда» (цифровой нуль). А блок NAND – это инвертированный AND, то есть выдаст в таких же условиях противоположные значения.
Кстати, название типа флеш-памяти NAND, которая используется в каждой флешке, карте microSD, смартфоне, SSD и т.д. происходит именно от ее способа реализации с помощью Булевой логики.
Первый цифровой вычислитель
В 1937 году Джордж Стибиц создал первый цифровой калькулятор. Эта машина могла прибавлять два однобитных двоичных числа. Впрочем, его калькулятор работал не на электронных трубках, а на электромеханических реле и громко щёлкал во время пересчета. Входные числа и результат расчета показывались свечением лампочек в двоичной системе счисления.
Свой калькулятор Стибиц создал на собственной кухне, и потому его устройство впоследствии стало известно как Model K.
Электрическая схема калькулятора Стибица представляла собой пару логических блоков алгебры Булевой — AND и XOR.
Было только делом техники нарастить количество блоков, чтобы такой калькулятор мог выполнять более сложные вычисления.
Стибиц со своими коллегами из Bell Labs сделали именно это — через два года они пустили Model I, которая имела более 400 реле и могла добавлять и умножать два восьмиразрядных числа. Время счета было 0,1 секунды. Более сложные калькуляции занимали до минуты времени.
В течение следующего десятилетия они создали еще шесть моделей калькуляторов, основанных на реле. Некоторые из них использовались военными США и космическим агентством National Advisory Committee for Astronautics (NACA), которое впоследствии станет называться NASA.
Но, как уже было сказано в начале этой статьи, электромеханические реле плохо подходили для скоростных и надежных компьютеров.
Сугубо электронный вакуумный триод вполне подходил для создания скоростных компьютеров.
Именно на вакуумных электронных лампах был построен первый в мире программируемый электронный компьютер ENIAC, заработавший 10 декабря 1945 года. Он занимал целую комнату, весил 30 тонн и потреблял 175 киловатт в час. Ходили даже слухи, что когда его включали в городе Фладельфия, где он размещался, угасали лампы – так много он потреблял. Но это только городская легенда, потому что у компьютера был собственный генератор именно для того, чтобы не перегружать городскую электросеть.
ENIAC был очень быстрым – он умножал и делил числа со скоростью 500 операций в секунду. К тому же его можно было программировать на определенную последовательность действий.
Директор лаборатории Лос Аламос, в которой создавали атомное и водородное оружие, сказал, что их работа была бы невозможна без помощи ENIAC.
Хотя вакуумные электронные лампы были значительно надежнее электромеханических реле, но они все равно быстро изнашивались. В ENIAC раз в несколько девственниц заменяли очередную сгоревшую лампу.
Самый длинный непрерывный цикл работы ENIAC составил 116 часов.
Зато он лампово светился и согревал, ведь в его основе лежала продвинутая лампочка накаливания, являющаяся в основном нагревательным прибором.
Лишь с появлением транзистора, позволившего управлять потоком электронов внутри сплошного кристалла кремния, компьютеры стали еще быстрее, прохладнее и надежнее.
Но иногда не хватает ламповых ощущений.
По материалам: Veritasium
