Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

Рис. 248. Арифмометр

Рис. 249. Схема триода

Интенсивная разработка вычислитель ной техники началась в 30-х гг. XX в. Первые модели были механическими, затем при их конструировании стали использовать электронные лампы и электромагнитные реле. Для того чтобы представить себе масштабы первых вычислительных машин, поясним вкратце, что представляли собой эти устройства. Электронная лампа (диод) – это колба с откачанным из неё воздухом, похожая на обычную электрическую лампочку. Кстати, размеры она имела примерно такие же. В колбу были впаяны два электрода – катод и анод. Катод нагревали током накала, под действием которого он испускал электроны. Когда на электроды подавалось напряжение, электроны двигались от катода к аноду, таким образом в лампе возникал электрический ток. В обратном направлении ток, естественно, течь не мог, поэтому диоды использовали в качестве выпрямителей – устройств, пропускающих электрический ток только в одном направлении. Существовал ещё один вид электронных ламп – триоды (рис. 249). В них дополнительно присутствовала ещё и сетка, на которую можно было подавать положительный электрический потенциал. Сетка притягивала отрицательные электроны и тем самым усиливала катодный ток. Такие лампы применяли для усиления электрических сигналов. Для хранения информации использовали электромагнитные реле. Реле состояло из электромагнитной катушки и пружинки. Когда по катушке протекал электрический ток, пружинка притягивалась к сердечнику и замыкала (или размыкала) некий контакт, когда же тока не было, пружинка отлипала и возвращала реле в прежнее положение. Легко понять, что такое устройство могло хранить 1 бит информации при размере в несколько сантиметров и весе в несколько десятков граммов.

Неудивительно, что таким размерам деталей соответствовали габариты выпускавшихся в то время компьютеров, их называли электронно-вычислительными машинами (ЭВМ). Тем более что электронные лампы стали использовать не сразу, и первые ЭВМ работали только на реле. Так, одна из наиболее прогрессивных ЭВМ, созданная в 1946 г., содержала 9 тыс. реле, занимала площадь 90 м 2и весила 10 т. Первые ЭВМ, в которых стали использовать электронные лампы, значительно превосходили релейные устройства по скорости вычислений, но мало уступали им в массе и размерах. В 1948 г. была продемонстрирована первая ламповая ЭВМ ENIAK, сделанная по заказу армии США, которая содержала 18 тыс. электронных ламп, занимала площадь 90 х 15 м 2, весила 30 т и потребляла 150 кВт электроэнергии (рис. 250). ENIAK выполняла операции сложения за 0,2 мс, а умножения – за 2,8 мс, что в тысячу раз превышало скорость работы релейных машин.

Рис. 250. ЭВМ ENIAK

Технологии 50-х гг. XX в. уже не могли обойтись без использования ЭВМ. Без них невозможно было рассчитать ни динамику протекания ядерных реакций, ни траектории космических ракет. Однако работа с компьютерами требовала больших издержек и усилий. Стоили они очень дорого, занимали огромное пространство, и их должны были обслуживать специалисты с высоким уровнем подготовки – программисты. Машинная обработка каждой задачи занимала очень много времени. Ввиду высокой дефицитности этого времени ЭВМ работали обычно круглосуточно. Каждому сотруднику, которому требовалось произвести какие-либо вычисления, выделялось «машинное время» в вычислительном центре, который имелся во всех крупных институтах. Для того чтобы выполнить расчёты, требовалось перевести конкретную задачу на определённый машинный язык и забить её на перфокарту или перфоленту – картонное устройство, в котором в определённом порядке пробивались дырки, через которые происходило замыкание электрических контактов (рис. 251). Поэтому каждая вычислительная машина дополнительно требовала ещё и перфоратора – машинки для пробивания дырок. Кстати, следует заметить, что машинные языки всё время совершенствовались и сменяли друг друга.

К середине 50-х гг. усовершенствование ламповых ЭВМ приблизилось к своему пределу. Тогда начались работы по производству транзисторных компьютеров.

Рис. 251. Перфолента

Транзистор – это устройство, которое выполняет в принципе те же функции, что и электронные лампы, т. е. выпрямление и усиление электрического тока, но не сравнимо с ними по размерам. В основе работы транзистора лежат полупроводники, о которых мы уже говорили в главе 2. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и могут менять своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры и действующего на них электрического поля. Ввиду того что многие химические элементы и соединения (например, кремний) по самой своей природе являются полупроводниками, их кристаллы, обладающие микроскопическими размерами, можно использовать вместо громоздких электронных ламп. Первая машина, работавшая преимущественно на транзисторах, была изготовлена в 1958 г., в ней было 56 тыс. транзисторов, но всё ещё 440 электронных ламп. Превосходя ENIAK по компактности, она значительно уступала ему по быстродействию.

Однако настоящий прорыв в электронной технике был совершён после введения в употребление интегральных схем или микросхем. Если раньше детали электронной системы (транзисторы, сопротивления, конденсаторы) располагались порознь на отдельных платах, то теперь был разрешён вопрос, как в минимум места вместить максимум компонентов. Независимо друг от друга две фирмы догадались разместить все эти детали на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала – германия или кремния. Патент на изготовление таких микросхем был выдан в 1959 г.

С применением микросхем размеры электронных приборов от ЭВМ до телефонов стали стремительно уменьшаться. Одним из определяющих факторов, влияющих на размер схемы и скорость проведения в ней сигнала, является величина, называемая линейным разрешением, которая определяется минимальным размером элементов и расстояний между ними. За последние 20 с небольшим лет эта величина уменьшилась примерно в 100 раз. Если в первых персональных компьютерах, созданных в 80-х гг. XX в., она составляла 1–3 мкм, то в скором будущем предполагается довести её до 10 нм. Помимо уменьшения размеров новые технологии позволили во много раз повысить скорость работы вычислительных машин. Если для осуществления одной операции первым электронным ЭВМ требовалось порядка0,001 с, то современные компьютеры справляются с этой задачей менее чем за одну триллионную долю секунды (0, 000 000 000 001 с).