В предыдущем параграфе мы разобрали, почему компьютеры считают в двоичной системе, и заодно вместе осилили путь, который изобретатели прошли за последние два столетия.

Мы остановились на реле — электромеханическом устройстве, которое применялось в телеграфном деле. С его помощью мы построили простейшее вычислительное устройство.

В этом параграфе мы коротко рассмотрим, как эволюционировали электрические компоненты компьютеров, которые отвечали за вычисления.

Электронные лампы

Сразу после реле стали применять электронные лампы.

Электронная лампа (радиолампа) — это прибор, позволяющий управлять интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме между электродами. Наиболее типичная радиолампа — триод — имеет три электрода: катод, анод и сетку.

Это устройство работает так: катод разогревается до высокой температуры, и из него начинают вылетать электроны. Если на анод подать положительный электрический потенциал, электроны устремятся к аноду, и через лампу потечёт ток — иначе говоря, лампа «откроется».

Но если подать на сетку большой отрицательный потенциал, она будет отталкивать электроны обратно к катоду, и ток прекратится — лампа «закроется». То есть потенциал сетки управляет величиной тока от катода к аноду. За счёт этого лампа может работать как усилитель или как электронное реле.

Эксперименты показали, что в цифровой технике выгоднее эксплуатировать лампы по принципу «всё или ничего»: ток есть — тока нет. Это называется работой в режиме ключа (то есть выключателя).

Самый первый компьютер на лампах — ENIAC — существенно отличался от всех последующих ЭВМ. Он ещё во многом был близок к механическим вычислительным машинам предыдущей эпохи и, в частности, работал с десятичными, а не с двоичными цифрами. Но как это было организовано?

Если вы думаете, что каждая лампа ENIAC могла принимать одно из десяти состояний, то ошибаетесь. Всё было и проще, и сложнее: на одну цифру приходилось целых 10 ламп, каждая из которых могла принимать одно из двух состояний.

Лампы имели номера с 0 по 9. В каждый момент «открыта» была только одна лампа, соответствующая нужной цифре, а остальные — «закрыты».

Десять ламп каждого числового разряда ENIAC были объединены в так называемый кольцевой счётчик, и когда хранимое число нужно было увеличить, открытое состояние «перескакивало» по цепочке с текущей лампы на соседнюю, и так по кругу. Конечно, это было избыточно с точки зрения расхода аппаратуры, и в следующих ЭВМ от такого подхода отказались.

Транзисторы

Транзисторы пришли на смену лампам в 1950-х годах. Они были компактнее, потому что использовали другие физические принципы.

Транзистор сделан из полупроводника — материала, который в обычных условиях проводит ток хуже, чем металл, но лучше, чем изолятор. Проводимость полупроводника можно «настраивать» с помощью примесей. В итоге получается структура, состоящая из двух областей:

• области с избытком электронов (n-тип);
• области с их нехваткой (p-тип).

На стыке этих областей возникает p-n-переход, который может либо пропускать ток, либо блокировать его.

В транзисторе таких переходов два. Эмиттер, база и коллектор образуют структуру, где малый управляющий ток через базу способен изменять проводимость всего кристалла.

В результате через транзистор начинает проходить гораздо более сильный ток от эмиттера к коллектору — иначе говоря, он «открывается». Если управляющего тока нет (или напряжение на затворе у полевого транзистора ниже порога), ток почти не идёт — транзистор «закрыт».

Таким образом, слабый сигнал на управляющем выводе управляет сильным током между основными выводами.

Благодаря этому транзистор, как и электронная лампа, может работать в двух режимах: усиливать слабые сигналы или выполнять роль быстрого электронного реле, открывая и закрывая токовые цепи.

Когда компьютеры начали строить на основе транзисторов — первыми такими машинами были британский Manchester Transistor Computer (1953) и американский TRADIC (1954), — позиции двоичной системы счисления остались незыблемыми.

Аргументы были всё те же: при наличии лишь двух возможных значений минимизируется влияние помех, не требуется точная установка уровня сигнала, а на поддержание текущего состояния расходуется мало энергии.

Микросхемы

Если в ламповых ЭВМ использовались тысячи, в лучшем случае десятки тысяч переключающихся элементов, то в транзисторных это могли быть уже сотни тысяч.

Изобретение микросхем, в которых множество крошечных транзисторов могут быть «выращены» на одном кристалле полупроводника, позволило довести это количество до миллионов и десятков миллионов.

Начиная с 2000-х годов в одной только микросхеме центрального процессора (CPU) может быть больше транзисторов, чем в огромном суперкомпьютере прошлых поколений. Количество транзисторов в современных процессорах достигает десятков миллиардов.

Есть все основания полагать, что и в ближайшие десятилетия все, кто захочет связать свою жизнь с компьютерами, будут начинать с изучения основ двоичной арифметики и логики.

Возможно, с развитием микроэлектроники появятся устройства, способные быстро и надёжно переключаться между бо́льшим числом состояний. Отчасти мы это уже наблюдаем в случае твердотельных накопителей с многоуровневыми ячейками.

О хранении данных мы ещё поговорим. А в следующем параграфе расскажем, как так получилось, что все современные компьютеры состоят из одних и тех же компонентов — процессора, оперативной и долговременной памяти и видеокарты.