С физикой — от счетов к современным компьютерам

Владимир Клиньшов

Сегодня по физике лектор билеты давал к экзамену. Заходи ко мне — перепишешь

— Это долго, ты лучше отсканируй и кинь мне на почту, а я у себя распечатаю.

(из разговора студентов)

Поистине, до чего дошел прогресс! Еще несколько лет назад подобные разговоры были редкостью, а сейчас — обычное дело. Вот, например, недавно принимал я лабораторные работы у третьекурсников, так они, вместо того чтобы теоретическую часть в отчете написать, просто отсканировали методичку! Того и гляди, начнут лекции вместо тетрадки на веб-камеру записывать!

Сравнивая настоящее и совсем недавнее прошлое, понимаешь, насколько ошеломляющий скачок в развитии электронно-вычислительной техники совершился буквально у нас на глазах. Сегодня компьютер стал привычным и знакомым инструментом для миллионов людей, и, наверное, нет в современной жизни области, куда бы он не проник. В науке и промышленности широко используются мощнейшие суперкомпьютеры, мобильные компьютеры сопровождают своих владельцев в пути, а уж персональные компьютеры есть почти в каждом доме.

А теперь вернемся мысленно в 50-е годы, время, когда академик С. А. Лебедев создавал первую отечественную ЭВМ. Трогательная и смешная картина предстанет перед нами: вся Академия наук СССР с огромным вниманием следит, как эта огромная машина часами решает задачи, на которые современным компьютерам нужны доли секунды! А в 30-е годы восхищение вызывали машины, которые просто умели выполнять арифметические действия. Сейчас эту возможность реализует обычный карманный калькулятор.

Согласитесь — динамика просто поразительная! Но мы уже успели привыкнуть к приставкам «мега-» и «гига-» в характеристиках современных компьютеров, и они нас не удивляют. Любой школьник знает, как работать и развлекаться на «компе», некоторые даже умеют собирать и разбирать его, как конструктор. Но многие ли знают, как устроен компьютер, на каких физических принципах основана его работа? Думаю, нет. А между тем именно физика и физические открытия сделали возможным создание ЭВМ в том виде, в каком они существуют сейчас.

Краткая история ЭВМ

Рис. 1. История развития ЭВМ и важнейшие открытия электроники XX века

По сути, вся история ЭВМ определяется серией замечательных физических открытий в области электроники. Строго говоря, вычислительные машины существовали и до XX века: это абак, счеты, логарифмические линейки, арифмометры, счетные машины Паскаля и Бэббиджа и некоторые другие. Всё это — механические устройства с очень ограниченными возможностями. История же собственно электронных вычислительных машин (рис. 1) начинается в двадцатом веке и связана с изобретением в 1906 году американским инженером Ли де Форестом вакуумного триода. На основе триодов были созданы ЭВМ так называемого первого поколения, начинающего свою историю в 40-е годы. Это поколение компьютеров-монстров, занимавших по своим размерам целые комнаты и потреблявших мощности, достаточные для работы небольшого завода. Однако, несмотря на такую громоздкость, производительность этих машин была весьма скромной.

Качественное изменение ЭВМ произошло после еще одного эпохального открытия физики — изобретения в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли полевого транзистора. Применение полупроводниковых транзисторов вместо вакуумных ламп (триодов) позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин второго поколения и повысить их быстродействие и надежность.

Дальнейшее развитие компьютеров связано с использованием интегральных схем, впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом. Интегральная схема — это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещенных на одном кристалле полупроводника. Использование интегральных схем (компьютеры третьего поколения), больших и сверхбольших интегральных схем (четвертое поколение) привело к значительному упрощению процесса изготовления ЭВМ и увеличению их быстродействия. В 80-е годы началось изготовление персональных компьютеров, которые постепенно приобрели современный вид. Примерно тогда же появились первые мобильные компьютеры, или ноутбуки. Огромной производительности достигли многопроцессорные вычислительные комплексы — так называемые суперкомпьютеры.

Почему же именно изобретение триода и транзистора определило весь путь развития компьютеров? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить об основных принципах работы компьютера.

Сердце современного компьютера — это его центральный процессор, поэтому остановимся на нем. Основная функция процессора — обработка информации, т. е. выполнение различных операций над данными. А так как данные в современных ЭВМ представляются в двоичном виде, то и операции с ними производятся на основе двоичной логики, или так называемой булевой алгебры.

Булева алгебра — основа работы компьютера

Рис. 2. «Водопроводная модель» операций булевой алгебры

Булева алгебра (названа в честь английского математика XIX века Джорджа Буля) рассматривает величины, принимающие только два значения — 0 или 1. Значение булевой величины можно представлять как ложность или истинность какого-либо утверждения (0 — ложь, 1 — истина). Поэтому с такими величинами можно производить различные операции — так же, как мы оперируем с утверждениями при рассуждениях. Основные операции — это И, ИЛИ, НЕ. Например: «я возьму зонт», если «пойдет дождь» И «за мной НЕ заедет друг на машине». Если обозначить через С утверждение «я возьму зонт», А — «пойдет дождь» и В — «за мной заедет друг», то С = А И (НЕ В). Выполнением подобных операций и занимается процессор компьютера.

Выполнение логических операций можно проиллюстрировать на наглядной физической модели «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль — утверждение истинно, закрытый — ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь). На рис. 2 изображены системы труб, реализующие основные логические операции. Например, рассмотрим операцию И: С = А И В (рис. 2а). Вентили А и В установлены на трубе последовательно, поэтому вода из крана С течет, только если они оба открыты. Если же установить вентили на две параллельные трубы, соединяющиеся в одну, то такая система будет выполнять операцию ИЛИ: если хотя бы один из вентилей А или В открыт, вода из крана С потечет, т. е. С = А ИЛИ В (рис. 2б). На рис. 2в представлена система, выполняющая операцию НЕ: если вентиль А закрыт, то вода протекает в кран В, если же он открыт, то вся вода стекает в «запасную» трубу, и через кран В не течет, т. е. В = НЕ А.

Можно ли перенести те же системы из области гидродинамики в область электроники, то есть создать электронные логические схемы? Ясно, что для этого понадобятся устройства, подобные вентилям на трубах, которые в зависимости от установленного положения либо пропускают воду по трубе, либо нет. «Электронные вентили» должны обладать подобными свойствами, т. е. регулируемой проводимостью электрического тока. Оказывается, именно триод и транзистор могут выполнять функции вентиля в электрической схеме. Чтобы понять, как это возможно, надо разобраться в физических принципах работы триода и транзистора.

Электровакуумный триод

Рис. 3. Электровакуумный триод

Конструктивно триод состоит из трех металлических электродов — катода, анода и сетки, помещенных в корпус с откачанным воздухом (рис. 3). Через дополнительную цепь катод нагревается электрическим током до высоких температур, так что с его поверхности начинается эмиссия электронов. Обычно электрический потенциал анода относительно катода положителен, а режим работы триода определяется потенциалом сетки.

Когда на сетку подается положительный потенциал (меньший потенциала на аноде), электрическое поле разгоняет электроны в направлении сетки. Поверхность сетки делается не сплошной, а состоит из отдельных тонких проводов, образующих решетку. Из-за этого электроны почти не попадают на сетку, а пролетают сквозь нее на анод, создавая ток в анодной цепи (рис. 3а). Если же потенциал сетки отрицателен, электрическое поле препятствует движению электронов, возвращая их на катод, и ток в цепи не течет (рис. 3б).

Таким образом, в электровакуумном триоде можно эффективно управлять током в цепи анода, меняя напряжение на сетке. Причем проводимость триода может меняться от полностью закрытого состояния до полностью открытого. Но ведь именно этими свойствами и должен обладать вентиль! И именно в качестве «электронных вентилей» использовались триоды в первых электронно-вычислительных машинах.

Зная об устройстве электровакуумных ламп, можно понять, с чем связаны их недостатки. Во-первых, это большие размеры и сложность изготовления, обусловленные необходимостью размещения электродов в вакуумном корпусе. Во-вторых, инерционность приборов, которая вызвана большим временем пролета электронами расстояния от катода до анода. В-третьих, большая потребляемая мощность. Избежать всех этих недостатков позволяют полупроводниковые транзисторы, которые с момента своего изобретения стали активно вытеснять лампы. Рассмотрим устройство транзистора в том виде, в каком он был предложен впервые, — в виде биполярного транзистора.

Полупроводниковый транзистор

Рис. 4. Электронно-дырочный переход и транзистор

Отличительным свойством полупроводниковых кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков. Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. При переходе на такое вакантное место электрона из оболочки соседнего атома дырка перемещается к этому атому и таким образом может двигаться по всему кристаллу, как свободная клетка при игре в пятнашки. Поэтому можно рассматривать дырку как положительно заряженную свободную частицу.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый кристалл, разделенный на три части, которые называются эмиттером, базой и коллектором (рис. 4). За счет введения в эти области различных примесей соотношение свободных дырок и электронов в них различно. Так, в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов (говорят, что эти области обладают проводимостью p-типа). В базе же, наоборот, больше электронов (проводимость n-типа).

Пусть как на коллектор, так и на базу транзистора подан отрицательный потенциал относительно эмиттера — на базу меньший, на коллектор больший (рис. 4а). Тогда электрическое поле на контакте база—эмиттер направлено слева направо и способствует движению дырок из эмиттера в базу, а электронов — наоборот, из базы в эмиттер. Поле на контакте база—коллектор направлено также направо и препятствует переходу дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор. Однако дырки, попавшие в базу из эмиттера, под действием этого поля свободно проходят в коллектор. Обычно базу делают достаточно тонкой, поэтому в коллектор переходят практически все дырки из эмиттера, и в коллекторной цепи течет достаточно большой ток.

Теперь предположим, что потенциал базы относительно эмиттера стал положительным, а потенциал коллектора по-прежнему отрицателен (рис. 4б). Тогда электрическое поле на контакте эмиттер—база направлено налево, а на контакте база—коллектор — направо. Таким образом, поле препятствует выходу электронов из базы в обе стороны, так же как и попаданию в нее дырок. Поэтому через контакты течет только ток, связанный с движением неосновных зарядов — дырок в базе и электронов в эмиттере и коллекторе. Так как число таких зарядов весьма невелико по сравнению с основными, то и ток в этом случае пренебрежимо мал.

Таким образом, варьируя напряжение между базой и эмиттером, можно изменять значение коллекторного тока от максимального до почти нулевого, то есть «открывать» и «закрывать» транзистор. Это значит, что транзистор, как и вакуумный триод, может выполнять функцию «электронного вентиля».

С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо проще, чем триод. Его можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные компьютеры производятся на транзисторах, а не на лампах. Изобретение интегральных микросхем, способных объединить на одном кристалле миллионы транзисторов, прочно закрепило их преимущество перед лампами.

Заключение

Рис. 5. История и перспективы вычислительной техники

Мы кратко рассмотрели физические принципы работы двух устройств, сыгравших ключевую роль в истории электроники XX века, — электровакуумного триода и транзистора. Почему ЭВМ обязаны своим появлением именно этим устройствам? Потому что на их основе были созданы электрические схемы, выполняющие операции булевой алгебры. Сама по себе булева алгебра предельно проста, т. к. оперирует только двумя числами — 0 и 1. Но оказывается, чтобы реализовать быстрые, простые и надежные устройства, выполняющие логические операции, нужны достаточно сложные электронные элементы. Таким образом, создание ЭВМ было бы невозможно без вклада физиков, придумавших «электронные вентили» — триод и транзистор.

С физикой, несомненно, связано и будущее компьютерной техники. Наиболее перспективными направлениями ее развития на данный момент считаются создание квантовых компьютеров и нейрокомпьютеров (рис. 5). Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой физики. А нейрокомпьютеры — это устройства обработки информации, в работе которых будут использоваться принципы функционирования центральной нервной системы и мозга. Такое заимствование возможно только после детального изучения этих систем, в том числе с физической точки зрения.

На примере истории вычислительной техники мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго. Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь — о теоретической физике. Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.