З фізикою
Воістину, до чого сягнув прогрес! Ще кілька років тому подібні розмови були рідкістю, а зараз звичайна справа. Ось, наприклад, нещодавно приймав я лабораторні роботи у третьокурсників, то вони, замість того щоб теоретичну частину у звіті написати, просто відсканували методичку! Того й дивись, почнуть лекції замість зошита на веб-камеру записувати!
Порівнюючи сьогодення та зовсім недавнє минуле, розумієш, наскільки приголомшливий стрибок у розвитку електронно-обчислювальної техніки відбувся буквально у нас на очах. Сьогодні комп'ютер став звичним та знайомим інструментом для мільйонів людей, і, напевно, немає в сучасному житті області, куди б він не проник. У науці та промисловості широко використовуються найпотужніші суперкомп'ютери, мобільні комп'ютери супроводжують своїх власників у дорозі, а персональні комп'ютери є майже в кожному будинку.
А тепер повернемося подумки у 50-ті роки, час, коли академік С. А. Лебедєв створював першу вітчизняну ЕОМ. Зворушлива і смішна картина постане перед нами: вся Академія наук СРСР з величезною увагою стежить, як ця величезна машина годинами вирішує завдання, на які сучасним комп'ютерам потрібні частки секунди! А у 30-ті роки захоплення викликали машини, які просто вміли виконувати арифметичні дії. Тепер цю можливість реалізує стандартний кишеньковий калькулятор.
Погодьтеся - динаміка просто вражаюча! Але ми вже встигли звикнути до приставок "мега-" та "гіга-" в характеристиках сучасних комп'ютерів, і вони нас не дивують. Будь-який школяр знає, як працювати та розважатися на «компі», деякі навіть вміють збирати та розбирати його, як конструктор. Але чи багато хто знає, як влаштований комп'ютер, на яких фізичних принципах ґрунтується його робота? Думаю ні. А міжтим самим фізика і фізичні відкриття уможливили створення ЕОМ у вигляді, як вони існують сьогодні.
По суті, вся історія ЕОМ визначається серією чудових фізичних відкриттів у галузі електроніки. Строго кажучи, обчислювальні машини існували і до XX століття: це абак, лічильники, логарифмічні лінійки, арифмометри, лічильні машини Паскаля та Беббіджа та деякі інші. Все це механічні пристрої з дуже обмеженими можливостями. Історія ж власне електронних обчислювальних машин (рис. 1) починається у ХХ столітті і пов'язана з винаходом у 1906 році американським інженером Лі де Форестом вакуумного тріода. На основі тріодів були створені ЕОМ так званого першого покоління, що починає свою історію у 40-ті роки. Це покоління комп'ютерів-монстрів, які займали за своїми розмірами цілі кімнати та споживали потужності, достатні для роботи невеликого заводу. Однак, незважаючи на таку громіздкість, продуктивність цих машин була дуже скромною.
Якісна зміна ЕОМ відбулася після ще одного епохального відкриття фізики - винаходи в 1947 Джоном Бардіном, Уолтером Браттейном і Вільямом Шоклі польового транзистора. Застосування напівпровідникових транзисторів замість вакуумних ламп (тріодів) дозволило суттєво зменшити розміри та енергоспоживання машин другого покоління та підвищити їхню швидкодію та надійність.
Подальший розвиток комп'ютерів пов'язані з використанням інтегральних схем, вперше виготовлених 1960 року американцем Робертом Нойсом. Інтегральна схема — це безліч від десятків до мільйонів транзисторів, розміщених на одному кристалі напівпровідника. Використання інтегральних схем (комп'ютери третього покоління), великих та надвеликих інтегральних схем (четверте покоління)призвело до значного спрощення процесу виготовлення ЕОМ та збільшення їх швидкодії. У 80-ті роки почалося виготовлення персональних комп'ютерів, які поступово набули сучасного вигляду. Приблизно тоді з'явилися перші мобільні комп'ютери, чи ноутбуки. Величезної продуктивності досягли багатопроцесорні обчислювальні комплекси — звані суперкомп'ютери.
Чому саме винахід тріода і транзистора визначило весь шлях розвитку комп'ютерів? Для відповіді це питання слід згадати основні принципи роботи комп'ютера.
Серце сучасного комп'ютера – це його центральний процесор, тож зупинимося на ньому. Основна функція процесора - обробка інформації, тобто виконання різних операцій над даними. Оскільки дані в сучасних ЕОМ представляються у двійковому вигляді, те й операції із нею виробляються з урахуванням двійкової логіки, чи званої булевої алгебри.
Булева алгебра (названа на честь англійського математика XIX століття Джорджа Буля) розглядає величини, що приймають лише два значення - 0 або 1. Значення булевої величини можна представляти як хибність або істинність будь-якого твердження (0 - брехня, 1 - істина). Тому з такими величинами можна робити різні операції — так само, як ми оперуємо із твердженнями за міркуваннями. Основні операції - це І, АБО, НЕ. Наприклад: «я візьму парасольку», якщо «піде дощ» і «за мною не заїде один на машині». Якщо позначити через С твердження «я візьму парасольку», А - «піде дощ» і В - «за мною заїде друг», то С = А І (НЕ В). Виконання таких операцій і займається процесор комп'ютера.
Виконання логічних операцій можна проілюструвати на наочній фізичній моделі «водопроводу». Уявімо твердження, над якими виробляютьсяоперації, як вентилів на трубах (відкритий вентиль — твердження істинно, закритий — хибно). Результат операції представимо у вигляді крана, з якого вода може або текти (істина), або не текти (брехня). На рис. 2 зображено системи труб, що реалізують основні логічні операції. Наприклад, розглянемо операцію І: С = А І В (рис. 2а). Вентилі А і В встановлені на трубі послідовно, тому вода з крана тече, тільки якщо вони обидва відкриті. Якщо ж встановити вентилі на дві паралельні труби, що з'єднуються в одну, то така система виконуватиме операцію АБО : якщо хоча б один з вентилів А або В відкритий, вода з крана С потече, тобто С = А АБО (рис. 1). 2б). На рис. 2в представлена система, що виконує операцію НЕ: якщо вентиль А закритий, то вода протікає в кран, якщо ж він відкритий, то вся вода стікає в «запасну» трубу, і через кран не тече, тобто В = НЕ А .
Чи можна перенести ті ж системи з галузі гідродинаміки в область електроніки, тобто створити електронні логічні схеми? Зрозуміло, що для цього знадобляться пристрої, подібні до вентилів на трубах, які в залежності від встановленого положення або пропускають воду по трубі, або ні. «Електронні вентилі» повинні мати подібні властивості, тобто регульовану провідність електричного струму. Виявляється, саме тріод та транзистор можуть виконувати функції вентиля в електричній схемі. Щоб зрозуміти, як це можливо, треба розібратися у фізичних принципах роботи тріода та транзистора.
Конструктивно тріод складається з трьох металевих електродів - катода, анода та сітки, поміщених у корпус з відкачаним повітрям (рис. 3). Через додатковий ланцюг катод нагрівається електричним струмом до високих температур, так що з поверхні починається емісія електронів. Зазвичайелектричний потенціал анода щодо катода позитивний, а режим роботи тріода визначається потенціалом сітки.
Коли сітку подається позитивний потенціал (менший потенціалу на аноді), електричне поле розганяє електрони у бік сітки. Поверхня сітки робиться не суцільною, а складається з окремих тонких проводів, що утворюють ґрати. Через це електрони майже не потрапляють на сітку, а пролітають крізь неї на анод, створюючи струм в анодному ланцюзі (рис. 3а). Якщо ж потенціал сітки від'ємний, електричне поле перешкоджає руху електронів, повертаючи їх на катод, і струм у ланцюзі не тече (рис. 3б).
Таким чином, в електровакуумному тріоді можна ефективно керувати струмом у ланцюзі анода, змінюючи напругу на сітці. Причому провідність тріода може змінюватися від закритого стану до повністю відкритого. Але саме цими властивостями і повинен мати вентиль! І саме як «електронні вентилі» використовувалися тріоди в перших електронно-обчислювальних машинах.
Знаючи про влаштування електровакуумних ламп, можна зрозуміти, з чим пов'язані їхні недоліки. По-перше, це великі розміри та складність виготовлення, зумовлені необхідністю розміщення електродів у вакуумному корпусі. По-друге, інерційність приладів, яка спричинена великим часом прольоту електронами відстані від катода до анода. По-третє, велика споживана потужність. Уникнути всіх цих недоліків дозволяють напівпровідникові транзистори, які з моменту свого винаходу стали активно витісняти лампи. Розглянемо пристрій транзистора у вигляді, як він був запропонований вперше, — як біполярного транзистора.
Відмінною властивістю напівпровідникових кристалів є наявність у них вільних носіїв зарядів обох знаків. Негативнізаряди - це електрони, що звільнилися із зовнішніх оболонок атомів кристалічних ґрат, а позитивні - так звані дірки. Дірки - це вакантні місця, що залишаються в електронних оболонках після виходу з них електронів. При переході на таке вакантне місце електрона з оболонки сусіднього атома дірка переміщається до цього атома і таким чином може рухатися по всьому кристалу як вільна клітина при грі в цятки. Тому можна розглядати дірку як позитивно заряджену вільну частинку.
Біполярний транзистор — напівпровідниковий кристал, розділений на три частини, які називаються емітером, базою і колектором (рис. 4). За рахунок введення в ці області різних домішок співвідношення вільних дірок та електронів у них по-різному. Так, в емітері і колекторі дірок істотно більше, ніж електронів (кажуть, що ці області мають провідність p-типу). В основі ж, навпаки, більше електронів (провідність n-типу).
Нехай як на колектор, так і на базу транзистора подано негативний потенціал щодо емітера — на базу менший, колектор більший (рис. 4а). Тоді електричне поле на контакті база-емітер спрямоване зліва направо і сприяє руху дірок з емітера в базу, а електронів - навпаки, з бази в емітер. Поле на контакті база-колектор спрямовано також праворуч і перешкоджає переходу дірок з колектора в базу та електронів з бази в колектор. Однак дірки, що потрапили в базу з емітера, під впливом цього поля вільно проходять у колектор. Зазвичай базу роблять досить тонкою, тому в колектор переходять практично всі дірки з емітера, і колекторного ланцюга тече досить великий струм.
Тепер припустимо, що потенціал бази щодо емітера став позитивним, а потенціал колектора по-як і раніше негативний (рис. 4б). Тоді електричне поле на контакті емітер-база спрямоване ліворуч, а на контакті база-колектор - праворуч. Таким чином, поле перешкоджає виходу електронів з бази в обидві сторони, так само як і влученню в неї дірок. Тому через контакти тече лише струм, пов'язаний із рухом неосновних зарядів — дірок у базі та електронів в емітері та колекторі. Так як кількість таких зарядів дуже невелика в порівнянні з основними, то й струм у цьому випадку дуже малий.
Таким чином, варіюючи напругу між базою та емітером, можна змінювати значення колекторного струму від максимального до майже нульового, тобто «відкривати» та «закривати» транзистор. Це означає, що транзистор, як вакуумний тріод, може виконувати функцію «електронного вентиля».
За допомогою сучасних технологій виготовити транзистор набагато простіше, ніж тріод. Його можна зробити дуже маленьким, а значить, швидким у роботі та споживаючим малу потужність. Через ці переваги сучасні комп'ютери виробляються на транзисторах, а не на лампах. Винахід інтегральних мікросхем, здатних поєднати на одному кристалі мільйони транзисторів, міцно закріпило їхню перевагу перед лампами.
Ми коротко розглянули фізичні принципи роботи двох пристроїв, які відіграли ключову роль історії електроніки XX століття, — электровакуумного тріода і транзистора. Чому ЕОМ зобов'язані своєю появою саме цим пристроям? Тому що на їх основі були створені електричні схеми, що виконують операції булевої алгебри. Сама по собі булева алгебра гранично проста, тому що оперує лише двома числами - 0 і 1. Але виявляється, щоб реалізувати швидкі, прості та надійні пристрої, що виконують логічні операції, потрібні досить складні електронні елементи. Таким чином,Виробництво ЕОМ було б неможливим без вкладу фізиків, які придумали «електронні вентилі» — тріод і транзистор.
З фізикою, безперечно, пов'язане і майбутнє комп'ютерної техніки. Найбільш перспективними напрямами її розвитку на даний момент вважаються створення квантових комп'ютерів та нейрокомп'ютерів (рис. 5). Квантові комп'ютери будуть використовувати як базові елементи окремі молекули, тому, очевидно, їх розвиток неможливий без застосування апарату квантової фізики. А нейрокомп'ютери - це пристрої обробки інформації, у роботі яких будуть використовуватися принципи функціонування центральної нервової системи та мозку. Таке запозичення можливе лише після детального вивчення цих систем, у тому числі з фізичної точки зору.
На прикладі історії обчислювальної техніки ми можемо зрозуміти, як тісно розвиток високих технологій пов'язаний з розвитком фундаментальних наук, наскільки перше залежить від другого. Тому, щоб досягти успіху у сфері нових технологій, треба пам'ятати про те, що є їхньою основою, і в першу чергу — про теоретичну фізику. Тільки успіхи фундаментальної науки можуть призвести до відкриття нових горизонтів у прикладних роботах, нових дивовижних досягнень цивілізації.