История электронных компьютеров

Следующий шаг сделал Иоганн Гитторф, изучавший физику вакуумной трубки. Он обнаружил обратный поток заряженных частиц от катода к аноду, который назвал катодным лучом, и описал его свойства. Подлинным основоположником электроники как науки стал Джозеф Томсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года. Он показал, что анодные лучи, проходящие через разреженный газ, состоят из ионизированных атомов и молекул, а катодные лучи через вакуум – из отрицательно заряженных элементарных частиц, впоследствии названных электронами. Честь открытия электрона и введение этого термина в науку принадлежит ирландскому физику Джорджу Стони (1897 год).

Совокупность этих открытий проложила путь к созданию разнообразных электронных приборов: вакуумных ламп, рентгеновских трубок, люминесцентных ламп. Карл Браун, лауреат Нобелевской премии 1909 года, изобрел кинескоп – катодно-лучевую трубку, которая некоторое время использовалась в компьютерах как устройство памяти, а многие годы – как экран для телевизоров.

Появлению электронных ламп, ставших аппаратной основой радио, телевидения и первых компьютеров, предшествовало открытие термоэлектронной эмиссии в 1873 году английским физиком Фредериком Гатри. Он создал прообраз электронной лампы – термоэмиссионный диод, который его ученик Джон Флеминг в 1904 году превратил в полноценный электровакуумный прибор.

Венцом этих разработок стал ламповый триод Джей Ли де Фореста, в котором появился третий управляющий электрод – сетка. Эта конструкция позволяла варьировать напряжение на сетке и управлять током анод-катод, усиливая сигнал. Триод стал основой огромного числа приборов и породил новую индустрию.

Де Форест был не только талантливым ученым и инженером, но и успешным предпринимателем. В 1909 году в Пало-Альто при его участии была основана первая лаборатория Федеральной телеграфной компании. Его деятельность и сподвижников превратила побережье от Сан-Хосе до Пало-Альто из бескрайних капустных полей в крупнейший научно-производственный кластер – будущую Силиконовую долину.

На этих землях вскоре появились новые легендарные проекты. В нескольких шагах от лаборатории де Фореста, на улице Эль Каминьо, в 1938 году выпускники Стэнфорда Дэвид Паккард и Билл Хьюлетт собрали свой первый осциллограф. Рядом возник клуб «Домашняя пивоварня», где позже собирались первые ПК, включая Apple I. По мере развития автомагистралей и кампусов здесь формировался современный ландшафт технологического производства.

Если рассматривать Калифорнию как отдельную экономику, ее валовой внутренний продукт сопоставим с ведущими странами мира, уступая лишь США, Китаю и Японии. Именно здесь, на некогда сельскохозяйственных угодьях, выросли научные и производственные кластеры, формирующие современный облик электроники, программирования и высоких технологий.

Первый вариант триода де Фореста, лампа Audion, использовалась только для усиления звуковых сигналов. Немецкие инженеры усовершенствовали конструкцию, сделав катод цилиндрическим с нагреваемой нитью, сетку – перфорированной, а анод – нитью. Компактная компоновка позволила создавать двойные триоды и лампы с большим числом электродов, варьируя размеры и мощность.

Ламповая электроника нашла применение в радио, телевидении, радиолокации и вычислительных машинах. В первых компьютерах существенны было облечение надежности работы, а не усиление, использование недогруженных ламп позволяло решать эту задачу.

Лампы как основа компьютеров первого поколения

Ламповая электроника позволила автоматизировать выполнение двоичных логических и арифметических операций – двух столпов всех существующих компьютеров. Отмечено всего три попытки создания троичных компьютеров. В середине XIX века ирландец Джон Фоулер построил деревянный макет, в 1960-х годах Н.П. Брусенцов на феррит-транзисторных троичных компонентах создал уникальную «Сетунь», а примерно в то же время в Канаде разрабатывался компьютер QTC-1, о котором почти ничего не известно. В последнее время появились сообщения о том, что IBM и Samsung ведут исследования в этом направлении.

Одной из причин доминирования двоичной системы является простота ее реализации. Атомами любой вычислительной инфраструктуры – от простейших компьютеров до суперкомпьютеров – служат двоичные триггеры, собранные в многоразрядные регистры для хранения данных и выполнения операций. Триггер – это компонент, способный занимать одно устойчивых состояний. Он может быть двоичным, троичным и так далее. Для наиболее используемых двоичных триггеров в английском языке используется образный термин flip-flop, по аналогии с пляжными шлепками.

Простейший двоичный триггер, будь то ламповый или полупроводниковый, собирается из двух триодов. Управляющий электрод одного триода (в лампе это сетка) подключается к аноду другого, и пара триодов сохраняет одно из двух устойчивых состояний. Если на сетку подать управляющий импульс, триггер переходит в другое состояние: одно состояние отождествляется с 0, другое – с 1. Триггер легко упаковывается в лампу типа двойной триод, которая хранит один разряд двоичного числа. Из двоичных триггеров формируются регистры для записи и хранения данных, с ними выполняются логические, арифметические и коммутационные операции. Из регистров собирается арифметико-логическое устройство (АЛУ) – главный компонент процессора.

Простота триггера оказалась гениальной: это устройство стало одним из важнейших кирпичей истории компьютеров. Обычно изобретение двоичного триггера приписывают британским физикам Уильяму Экклсу и Фрэнку Джордану. В 1918 году они подали патент на ионное реле (Improvements in Ionic Relays), подтвержденный в 1929 году. Устройство позволяло усиливать ток для телефонии и телеграфии, заменяя механические реле – ненадежные и медленные. Кстати, Экклс предложил термин diode – «трубка с двумя электродами» (от латинского di – «дважды» и hodos – «путь»), которое стало первым электронным устройством.

Меньше известно, что почти одновременно к идее электронного реле пришел российский инженер Михаил Александрович Бонч-Бруевич. В 1918 году он доложил о своем изобретении на заседании Российского общества радиоинженеров в сообщении «Комбинированные характеристики катодных реле». Он занимался этой темой с 1914 года, используя триггер для усиления радиосигнала. Более широко триггеры оказались востребованы только через двадцать лет, когда они стали основой компьютеров первого поколения (1945–1959).

Новая жизнь триггеров началась в 1940-х, точнее это произошло в 1942 году при создании экспериментального компьютера Атанасова-Берри (ABC), далее – в 1943 году в британском электронно-механическом компьютере Colossus в Блетчли-Парке, и, наконец, в 1945 году при создании полноценного электронного компьютера ENIAC. Теоретическое обоснование для дальнейшего развития двоичных логических схем появилось в работе Клода Шеннона «Математическая теория коммуникаций» (1948).

Ламповая электроника стала базой для компьютеров первого поколения (1940–1956). В них лампы использовались в центральном процессоре, а электроннолучевые и акустические трубки – в ранних конструкциях памяти. Использование недогруженных ламп обеспечивало высокую надежность и стабильность работы, что было критично для выполнения программ. Таким образом, ламповая электроника не только позволила автоматизировать вычисления, но и создала фундамент для всей последующей истории вычислительной техники.

История полупроводников и зарождение транзисторной эры

Ранние открытия: от Вольта до Брауна

Трудно поверить, но термин «полупроводник» старше «вакуумной лампы» на целых 60 лет! Первым его использовал Алессандро Вольта в докладе Лондонскому Королевскому обществу в 1782 году. Он наблюдал, как разные материалы ведут себя при замыкании ими контактов заряженного конденсатора: металлы вызывают мгновенный разряд, дерево и другие изоляционные материалы – нет. Материалы, при замыкании которых конденсатор разряжался не мгновенно, Вольта назвал полупроводниками.

В течение следующих 50 лет исследования ограничивались регистрацией удельного сопротивления материалов, находящихся между металлами и изоляторами. К современному пониманию полупроводников эти наблюдения не относятся.

Прогресс начался в 30-е годы XIX века, когда Майкл Фарадей обнаружил, что сульфид серебра обладает отрицательным температурным коэффициентом. В 1839 году Эдмонд Беккерель создал первый в мире фотоэлектрический элемент, прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую. В 1873 году Уиллоуби Смит впервые описал эффект фотопроводимости на кристаллическом селене – прообраз современных фоторезисторов.

В 1874 году Фердинанд Браун заметил, что сопротивление в кристаллах галенита меняется в зависимости от направления протекания тока. Так возник точечный электрический выпрямитель, собранный из металлической иглы и галенита. В начале XX века Гринлиф Пикард применил полупроводники для обнаружения радиосигналов, что дало толчок к созданию детекторных радиоприемников.

Лосев и кристадин

В начале 1920-х годов Олег Владимирович Лосев заметил эффект отрицательного дифференциального сопротивления на кристаллах оксида цинка. Одновременно он обнаружил свечение, ставшее много позже основой светодиодов. Лосев пытался использовать свое изобретение для усиления сигналов в радиоприемниках и передатчиках.

История Лосева – пример драматичной судьбы ученого, родившегося в неподходящее время и в неподходящем месте. Хотя ему и присвоили звание кандидата наук, большую часть жизни он провел на лаборантских должностях. Он остался в городе во время блокады в Ленинграде и умер от голода. На Западе его признали намного раньше – поклонником стал Хьюго Гернсбэк, который построил радиоприемник по спецификациям Лосева и написал статью в Radio News в 1924 году.

Механизм кристадинного эффекта до сих пор не полностью изучен. Многие специалисты связывают его с туннельным эффектом, но его природа отличается от туннельного диода.

Другие пионеры

Юлий Лилиенфельд, родившийся во Львове, предложил в 1926 году трехэлектродную полупроводниковую структуру, прообраз полевых транзисторов, и еще разработал электролитический конденсатор, который используется до сих пор. В 1935 году Оскар Хайль получил британский патент на свой вариант полевого транзистора. В 20–30-е годы другие исследователи отмечали проявления поверхностного полупроводникового эффекта, но это не приводило к практическим результатам. Крупный прорыв сделал британский физик-теоретик Алан Уилсон, опубликовавший в 1939 году книгу «Полупроводники и металлы».

Bell Labs и рождение транзистора

Планомерные исследования по созданию полупроводникового триода начались в 1936 году под руководством Мервина Келли в одном из крупнейших исследовательских центров своего времени Bell Labs. Он создал отдел по физике твердого тела и привлек к работе в нем Уильяма Шокли, Рассела Ола и Джека Скаффа. Ол случайно обнаружил первый полупроводниковый P-N переход, разрезав кремниевый слиток.

После Второй мировой войны работа продолжилась. Шокли и Стэнли Морган возглавляли отдел физики, привлекли Уолтера Браттейна, Джона Бардина и других. Они сосредоточились на кремнии и германии. В лаборатории Ола они увидели его «дезистеры» – устройства, напоминавшие кристадин Лосева.

Формально руководителем был Шокли, который разрабатывал проект полупроводникового усилителя на полевом эффекте. Его модель оказалась ошибочной – электроны локализовывались на поверхности полупроводника. Бардин и Браттейн исправили проблему и в декабре 1947 года создали полупроводниковый диод и усилитель, который лег в основу точечного транзистора. Шокли затем разработал инжекционный транзистор на P-N переходах – более практичный и простой в изготовлении.

26 февраля 1948 года Bell Labs подала две патентные заявки – одну Бардина и Браттейна, другую Шокли. Термин «transistor» возник как сочетание transresistance и созвучия с варисторами и термисторами. 30 июня 1948 года состоялась пресс-конференция, на которой объявили о транзисторе. Первый коммерческий точечный транзистор использовала Western Electric в 1951 году, но успех был ограничен.

Конфликты, приведшие к созданию будущего

Bell Labs раздирали острые личные и профессиональные конфликты. Уильям Шокли, совмещавший научный дар с высокой амбициозностью и неоднозначной социальной позицией, часто сталкивался с Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Эти разногласия носили как научный, так и личный характер: Шокли стремился к полному контролю над исследованиями, навязывал свои идеи и методы, в то время как Бардин и Браттейн обладали самостоятельным мышлением и практическими способностями.

Конфликт достиг апогея после создания точечного транзистора. Несмотря на коллективный успех, Шокли не мог смириться с тем, что значительная часть прорыва произошла без его непосредственного участия. В результате Бардин и Браттейн покинули Bell Labs, посвятив себя другим направлениям – в частности, изучению сверхпроводимости. Бардин в 1957 году опубликовал фундаментальную статью «Теория сверхпроводимости», которая стала ключевой в физике твердого тела, и позже получил вторую Нобелевскую премию.

Шокли же остался одиозной фигурой. Он основал Shockley Semiconductor, надеясь продолжить исследования и коммерциализировать полупроводниковые технологии. Однако его авторитарный стиль управления и неспособность работать в команде привели к масштабной утечке талантов: лучшие инженеры и исследователи, не согласные с руководством, покинули компанию и образовали группу, получившую название «Вероломная восьмерка» (The Traitorous Eight). В ее состав вошли:

• Гордон Мур – позднее сооснователь Intel, разработчик закона Мура, один из ведущих теоретиков микроэлектроники.

• Роберт Нойс – сооснователь Fairchild Semiconductor и Intel, изобретатель интегральной схемы.

• Жан Хофф – инженер и руководитель проектных групп, внес значительный вклад в разработку производственных процессов.

• Роберт Крой – специалист по химии полупроводников и производству кремниевых кристаллов.

• Виктор Грин – эксперт по технике нанесения слоев и изготовлению P-N переходов.

• Джек Бил – занимался проектированием схем и тестированием прототипов транзисторов.

• Фред Вайс – инженер-электронщик, участвовал в создании первых коммерческих транзисторов Fairchild.

• Джон Ред – занимался исследованиями по увеличению производительности кремниевых приборов.

Эти восемь ученых создали Fairchild Semiconductor, компанию, ставшую символом инновационной культуры Силиконовой долины. На базе Fairchild позднее возникли Intel, AMD, National Semiconductor и другие технологические гиганты.

Влияние на Силиконовую долину

Уход «Вероломной восьмерки» из Shockley Semiconductor стал катализатором формирования уникальной инновационной экосистемы:

• Опора на социальные сети и коллективный опыт: компании создавались людьми, уже имеющими профессиональные связи, что усиливало эффект передачи знаний и ноу-хау.

• Движение по собственному пути: новые предприятия использовали инновационные решения, независимые от крупных корпораций, что позволяло быстро внедрять передовые технологии.

• Фокус на коммерческом успехе: в отличие от корпоративной модели Bell Labs, где приоритет отдавался фундаментальным исследованиям, Fairchild и ее последователи ориентировались на быстрое внедрение инноваций на рынок.

• Таким образом, личные конфликты и противоречия внутри Bell Labs, несмотря на драматические последствия для отдельных людей, стали неожиданным толчком к развитию современной высокотехнологичной индустрии, а также заложили основу принципов, характерных для будущей Силиконовой долины.

Гордон Тил и Texas Instruments

Гордон Тил, химик-физик из Техаса, работавший в Bell Labs с 1930 года, предложил выращивать монокристаллы с P-N переходом, но получил отказ. В 1952 году Texas Instruments приобрела лицензию на германиевые транзисторы и пригласила Тила на работу. Он создал отдел по образцу Bell Labs и совместно с Морганом Спарксом усовершенствовал технологию, вырастив n-p-n германиевый транзистор прямо из расплава.

В апреле 1954 года команда Тила создала первый коммерческий кремниевый транзистор, а 10 мая Тил представил его на конференции IRE. В течение пары лет транзисторы стали компонентной базой второго поколения компьютеров, сочетаясь с диодами, резисторами, конденсаторами и магнитными сердечниками.

Память

На заре компьютерной эры проблема адекватной памяти была, пожалуй, острее, чем сложности, возникающие при создании новых процессоров. Процессоры строились из стандартных радиокомпонентов, имевшихся в большом объеме на рынке – ламп, резисторов и конденсаторов. Для памяти же ничего полностью подходящего из готового не существовало, приходилось адаптировать под нужды вычислительной техники то, что хотя как-то подходило.

Для компьютера EDVAC Преспер Эккерт использовал забытый ныне прибор – ртутную акустическую линию задержки. Такая трубка, заполненная парами ртути, могла хранить данные благодаря пьезокристаллическим преобразователям на концах. Они сохраняли акустический импульс, посланный в трубку, который продолжал циркулировать между преобразователями. Первоначально такие трубки создавались для разделения подвижных и неподвижных целей в радиолокации. Они были крайне дорогими, громоздкими и сложными в эксплуатации. Эккерт применил тот же принцип динамического хранения данных, но на магнитострикционных материалах, что оказалось гораздо практичнее ртути. Однако емкость таких линий задержки не превышала сотен битов.

Альтернативой линиям задержки стала электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) Уильямса—Килберна, названная в честь британцев Фредди Уильямса и Тома Килберна. Она стала первым запоминающим устройством с произвольным доступом (RAM). В этой трубке электронный луч буквально записывал данные на экран в виде заряженных и незаряженных точек. Считывание обеспечивал металлический диск перед экраном, отражавший луч. Возвращаемый сигнал зависел от того, была ли точка заряжена или нет. На этом принципе строились ЗУ емкостью до 2048 битов – существенно быстрее, чем акустические линии задержки.

Существовала и более амбициозная конструкция. Команда RCA под руководством Владимира Зворыкина создала лампу Selectron, которая сохраняла статический заряд, подобно ЭЛТ. Однако производство оказалось чрезвычайно сложным, и коммерческая версия так и не была создана. RCA планировала выпустить 200 трубок емкостью 4096 битов к концу 1946 года, но к середине 1948 года эти планы не были реализованы.

Таким образом, выходом из положения стала ферритовая память, которая со временем стала основой для большинства первых компьютеров следующего поколения.

Магнитная память на ферритовых сердечниках

Память на ферритовых сердечниках продержалась около четверти века, с 1955 по конец 1970-х она монопольно господствовала во всех компьютинге. Чаще всего в форме колечек миллиметрового размера, реже – на биксах, сердечниках с двумя взаимно перпендикулярными отверстиями. Сердечки собирались в квадратные матрицы, а матрицы – в кубы, достигая удельной емкости до 32 килобит на литр физического объема.

Внешне такая память выглядела крайне скромно, если не сказать примитивно. В Компьютерном музее в Маунтин-Вью на фоне сложных систем смотрятся кустарными поделками кубические конструкции из деревянных реек с тысячами сердечников внутри. Кропотливую работу по соединению проводами крошечных сердечников могли выполнять только тонкие девичьи пальчики, поэтому процесс изготовления называли «вышивкой памяти». В одной статье этот период даже назвали «Временем, когда компьютерную память вышивали женщины» (That Time When Computer Memory Was Handwoven by Women). Массовое производство ферритовой памяти перенесли в страны Юго-Восточной Азии, где миниатюрные местные девушки плели память в цехах, которые напоминали ковроткацкие мастерские.

Физической основой была способность сердечников сохранять направление намагниченности (эффектом гистерезиса). Сердечник являлся простейшим магнитным флип-флопом, хранящим 1 бит. Ферритовая память обладала двумя важными преимуществами: она сохраняла данные при отключении питания (не волатильная, non-volatile), а также была устойчива к ионизирующему излучению, что делало ее востребованной в военной технике вплоть до 1990-х годов.

Идея использования магнитных материалов для памяти возникла еще в 1945 году у Преспера Эккерта при создании ENIAC, а в 1946 году – у Джорджа Девола, известного созданием промышленных роботов UNIMATE. Однако тогда практическая реализация оказалась крайне сложной, последующая история ферритовой памяти – это не столько история научных открытий, сколько череда инженерных решений и патентных споров.

Пионеры ферритовой памяти

Одним из первых патентов на этот тип памяти получил Фредерика Вехэ, финн по происхождению, муниципальный служащий в Лос-Анджелесе. Он занимался экспериментами с магнитными материалами дома и получил несколько патентов. Его карьера трагически оборвалась: вместе с женой он погиб в автомобильной аварии.

Другим ключевым изобретателем был Эн Ванг. Он эмигрировал в США из Китая до прихода Мао, получил Ph.D. по физике в Гарварде в 1948 году, работал с Говардом Эйкеном над проектом Mark IV и тогда в очередной раз изобрел память на магнитных сердечниках. Однако он не получил финансирования и с 1951 года продолжил работу в созданной им компании Wang Laboratories. В 1955 году после патентования памяти Ванг продал права IBM за 500 000 долларов. Позже компания Wang выпускала мини-компьютеры, включая Wang VS, совместимый с IBM System/360, которые использовались в СССР, например, при разработке «Искры-226».

Джей Форрестер успешно сочетал академическую деятельность с практической инженерной работой. Он разрабатывал свою версию памяти для исторического компьютера Whirlwind, в него куб 32×32×16 бит была установлена летом 1953 года. Форрестер отмечал: «Изобретение Ванга не оказало влияния на мою разработку. Память Ванга была более дорогой и сложной». Он также вспоминал в 1975 году: «Нам потребовались годы, чтобы убедить индустрию в том, что память на магнитных сердечниках решает проблему недостающего звена в компьютерных технологиях. Затем мы семь лет отстаивали наш приоритет в патентных судах».

Магнитные сердечники применялись не только в оперативной памяти (ОЗУ), но и в постоянной памяти (ПЗУ). Программы и данные записывались методом физической прошивки проводами, и с тех пор сохранился термин «прошивка ПЗУ», хотя в современных полупроводниковых ПЗУ процедура записи полностью изменилась.

Полупроводниковая память

Для начала уточним терминологию, сложившуюся более полувека назад. Память с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM) – это оперативная память компьютера, к которой имеет прямой доступ центральный процессор (CPU). Главное отличие RAM на полупроводниках от ферритовой памяти заключается в энергозависимости (volatile): данные сохраняются только при подаче питания и теряются при его отключении.

Исторически выделились два типа RAM, это деление сохраняется до сих пор:

• Статическая RAM (SRAM) – использует триггеры на транзисторах (один триггер на один бит). Триггер устойчив и сохраняет состояние при наличии питания. SRAM называется «статической», потому что для удержания данных дополнительных действий не требуется.

• Динамическая RAM (DRAM) – хранит бит данных в конденсаторе. Изоляторы не идеальны, поэтому конденсаторы постепенно разряжаются; для поддержания данных требуется периодическая подзарядка. По этой причине RAM такого типа называется «динамической».

SRAM работает быстрее и потребляет меньше энергии, но сложнее и дороже. DRAM медленнее, требует подзарядки, но дешевле и позволяет создавать большие массивы памяти. В компьютере используется компромисс: SRAM применяют в кэше, где размер ограничен стоимостью, а основная память строится на DRAM и измеряется гигабайтами.

Первые попытки создания полупроводниковой памяти

Первые образцы электронной памяти на дискретных полупроводниках начались еще в 1950-х, задолго до появления интегральных схем. Они создавались для сверхоперативной регистровой памяти, ускоряющей обмен данными. Однако на технологическом уровне того времени такие решения были слишком дорогими и не могли стать массовыми.

Более чем через десять лет компания Signetics, основанная выходцами из Fairchild, смогла создать микросхему типа SRAM для работы в качестве сверхоперативной памяти. Эту память называли scratchpad memory – «блокнот для черновых записей» между процессором и основной магнитной памятью. По сути, это был аналог современного кэша L1.