Чарльз Петцольд - Код. Тайный язык информатики

Теория информации изучает возможность передачи цифровой информации при наличии шума (который обычно препятствует передаче всей информации), а также способы его компенсации. В 1949 году Шеннон написал первую статью о программировании компьютера для игры в шахматы, а в 1952 году разработал механическую мышь, управляемую реле, которая могла находить выход из лабиринта. Помимо всего прочего, в Bell Labs Шеннон был хорошо известен еще и своим умением ездить на одноколесном велосипеде, при этом жонглируя.

Норберт Винер (1894–1964), который в возрасте 18 лет в Гарварде получил степень доктора философии по математике, наиболее известен благодаря своей книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине» (1948). Винер придумал название « кибернетика» (от греческого «кормчий») для теории о взаимосвязи биологических процессов в людях и животных с механикой компьютеров и роботов. В поп-культуре вездесущая приставка « кибер-» теперь обозначает все, что имеет отношение к компьютерам. В частности, миллионы связанных через интернет компьютеров называются киберпространством . Это слово было придумано писателем Уильямом Гибсоном и появилось в романе 1984 года «Нейромант», написанном в жанре киберпанка .

В 1948 году компания Eckert-Mauchly Computer Corporation (позднее вошедшая в Remington Rand) начала работу над тем, чему предстояло стать первым доступным широкой аудитории компьютером, — UNIVAC (Universal Automatic Computer, универсальный автоматический компьютер). Он был закончен в 1951 году, а первый экземпляр был доставлен в Бюро переписи населения. Компьютер UNIVAC дебютировал в эфире канала CBS, где использовался для прогнозирования результатов президентских выборов 1952 года. Уолтер Кронкайт называл его электронным мозгом. В 1952 году компания IBM объявила о выпуске первой коммерческой компьютерной системы — 701.

Так началась долгая история использования компьютеров корпорациями и правительством. Какой бы интересной ни была эта история, сейчас мы перейдем к обсуждению другой тенденции, зародившейся в 1947 году, которая позволила уменьшить стоимость и размер компьютеров, превратив их в бытовую технику. Этот прорыв в области электроники едва не остался незамеченным.

Корпорация Bell Telephone Laboratories на протяжении многих лет была местом, где умные люди имели возможность работать практически над любым интересовавшим их проектом. К счастью, некоторые из них увлекались компьютерами. Я уже упоминал Джорджа Стибица и Клода Шеннона, которые внесли значительный вклад в развитие вычислительной техники, работая в Bell Labs. Позднее, в 1970-х годах, в Bell Labs была разработана компьютерная операционная система Unix и язык программирования C, о которых расскажу позднее.

Корпорация Bell Labs возникла 1 января 1925 года, когда компания American Telephone and Telegraph официально отделила свои научные и технические исследовательские подразделения от остальной части бизнеса, создав дочернее предприятие. Основная цель Bell Labs заключалась в разработке технологий для улучшения работы телефонной системы. К счастью, это поручение было достаточно туманным и предполагало всевозможные направления исследований, в том числе очевидную и не теряющую своей актуальности задачу, связанную с усилением передаваемого по проводам звукового сигнала без его искажения.

Начиная с 1912 года компания Bell System работала над ламповыми усилителями. Значительная часть исследований и разработок была направлена на усовершенствование вакуумных ламп с целью их использования в телефонной системе. Несмотря на проделанную работу, вакуумные лампы по-прежнему оставляли желать лучшего. Они были большими, потребляли много электроэнергии и со временем перегорали. Однако у них не было альтернативы.

Все изменилось 16 декабря 1947 года, когда два физика из Bell Labs, Джон Бардин (1908–1991) и Уолтер Браттейн (1902–1987), собрали усилитель другого типа из германиевой пластины — элемента, известного как полупроводник , — и полоски золотой фольги. Через неделю они продемонстрировали усилитель своему шефу Уильяму Шокли (1910–1989). Это был первый транзистор , устройство, которое некоторые считают самым важным изобретением XX века.

Транзистор появился не на пустом месте. За восемь лет до этого, 29 декабря 1939 года, Шокли написал в своей записной книжке: «Сегодня мне пришло в голову, что в принципе можно создать усилитель, использующий вместо вакуумных ламп полупроводники». После демонстрации первого транзистора много лет ушло на его доработку. Только в 1956 году Шокли, Бардин и Браттейн получили Нобелевскую премию по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Как вы помните, электроны в атоме распределены по оболочкам, окружающим ядро. Медь, золото и серебро характеризуются наличием только одного электрона на внешней оболочке их атомов. Этот электрон легко может оторваться от остальной части атома и двигаться, создавая электрический ток. Противоположностью проводников являются изоляторы, например резина и пластик, которые практически не проводят электричество.

Германий и кремний (а также некоторые соединения) называются полупроводниками не потому, что они проводят электричество в два раза хуже, чем проводники, а потому, что их проводимостью можно управлять различными способами. Полупроводники имеют четыре электрона на внешней оболочке атома, что составляет половину от их максимально возможного количества. В чистом полупроводнике атомы образуют очень устойчивые связи, создавая кристаллическую решетку, подобную кристаллической решетке алмаза. Такие полупроводники проводят электричество не очень хорошо.

Однако полупроводники можно легировать , то есть добавить в них некоторые примеси. Один тип примесей добавляет дополнительные электроны к тем, которые необходимы для создания связи между атомами. Они называются полупроводниками n-типа (n — от английского negative — «отрицательный»). В результате добавления другого типа примесей получается полупроводник p-типа (p — от positive — «положительный»).

Чтобы создать усилитель из полупроводников, нужно между двумя слоями полупроводника n-типа расположить прослойку из полупроводника p-типа. Получившееся устройство называется NPN-транзистором, а тремя его составными частями являются коллектор , база и эмиттер .

На рисунке приведено схематическое изображение NPN-транзистора.

Небольшое напряжение на базе управляет гораздо большим током, проходящим от коллектора к эмиттеру. При отсутствии напряжения на базе транзистор закрывается.