Файл: История и периоды развития средств вычислительной техники.pdf
Добавлен: 01.04.2023
Просмотров: 248
Скачиваний: 1
В скором времени компьютеры и фирма IBM стали в сознании людей почти синонимами, и большинство американцев были убеждены, что IBM и изобрела эти машины.
2.2. Второе поколение ЭВМ
К концу 40-х гг. ХХ в., когда вступили в действие первые большие электронные компьютеры, специалисты начали искать замену хрупким и громоздким лампам, служившим усилителями. В центре внимания оказались кристаллические минералы под названием «полупроводники».
Только в США проблемой в области полупроводников занимались более десятка лабораторий.
В 1948 г., через 2,5 года после публичной демонстрации первого в мире большого цифрового компьютера ENIAC, в газете «Нью-Йорк таймс» была напечатана короткая заметка. В ней сообщалось про изобретение нового устройства – электронного прибора, транзистора, который мог найти применение в радиотехнике вместо обычных электронных вакуумных ламп. Хотя позже транзистор был признан одним из главнейших изобретений века, в то время мало кто смог по достоинству его оценить.
Благодаря транзистору – германиевому кристаллу размером с булавочную головку, заключенному в металлический цилиндр длиной примерно сантиметр, – электроника ступила на путь миниатюризации, которая позволяла конструкторам размещать всю логическую систему ENIAC на плате размером с игральную карту.
Транзисторы – «нервные клетки» современного компьютера. Данную роль они заслужили своим быстродействием и надежностью при усилении и переключении электрических токов. Блокируя и пропуская ток (включение –выключение) или поддерживая невысокое напряжение чуть больше заданного порога (низкое – высокое), они позволяют логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе, на которой основана обработка информации во всех современных компьютерах.
В чистом виде полупроводники действуют скорее как изоляторы: либо очень плохо проводят ток, либо не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов, как их поведение коренным образом меняется [19, с. 55].
В конце 30-х гг. ХХ в. было установлено, что полупроводники, подобно радиолампам, могут работать как выпрямители.
Ученые научно-исследовательской лаборатории Bell Labs, входящей в компанию American Telephone and Telegraph (АТТ), а также других научных центров принимали участие в разработках военного времени. Они были уверены, что полупроводникам принадлежит будущее. Компания АТТ остро нуждалась в новых приборах, способных заменить радиолампы и электромеханические реле, которые использовались как усилители и переключатели в системе телефонной связи, охватывающей всю страну.
Ключевыми фигурами среди физиков, перед которыми стояла задача изучать свойства полупроводников, были У. Браттейн, экспериментатор, имевший за плечами 16 лет работы, и Джон Бардин (1908–1991), молодой талантливый теоретик, недавно пришедший в эту компанию.
Руководителем и признанным лидером группы был 35-летний Уильям Брэдфорд Шокли (1910–1989). Сын горного инженера, родом из Лондона. В работе он был предельно результативен и серьезен. После практически трёхлетних исследований, потребовавших около миллиона долларов, Bell Labs получила полупроводниковый усилитель.
В 1951 г. Шокли продемонстрировал миру первый надежный транзистор, представлявший собой трехслойный германиевый «сэндвич» толщиной около 1 сантиметра, заключенный в металлический корпус. В этой модели транзистора, которая получила впоследствии наиболее широкое распространение – так называемая модель прп, – тонкий слой полупроводника p-типа был зажат между двумя слоями полупроводника n-типа. Один из слоев n-типа служил эмиттером, другой – коллектором; средний слой р-типа представлял собой базу.
Выполняя те же функции, что и электронная лампа, транзистор имел намного меньшие размеры и не имел недостатков, присущих лампам: у него не было хрупкого стеклянного корпуса и тонкой нити накаливания, он потреблял намного меньше электроэнергии и не перегревался.
Машины на электронных лампах работали значительно быстрее, но электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 г. Бардин, Браттейн и Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы – транзисторы [17, с. 47].
Через девять лет ученые получили Нобелевскую премию по физике за открытие транзисторного эффекта. В 1972 г. Дж. Бардин единственный из ученых был удостоен второй Нобелевской премии по физике – за исследования, которые он проводил в Иллинойсcком университете (в области сверхпроводимости металлов при сверхнизких температурах).
Хотя транзистор был выдающимся научным изобретением, он не сразу завоевал достойное место. Из-за трудностей в производстве стоимость прибора оставалась высокой: лучшие образцы транзисторов стоили до 8 долларов за штуку, а цена лампы не превышала 75 центов. Кроме того, еще предстояла значительная исследовательская работа, чтобы досконально изучить все свойства этого прибора.
В середине 50-х гг. XX в. стоимость транзисторов резко снизилась. В 1954 г. Г. Тил, физик, пришедший работать в компанию Texas Instruments, новичок в электронной промышленности, изготовил транзистор из кремниевого кристалла вместо германиевого. Кремний, основной компонент обычного песка, – самый распространенный на Земле (после кислорода) химический элемент, тогда как германий – довольно редкий; обычно его получают лишь в качестве побочного продукта при очистке цинка и добыче угля. И хотя для транзистора требуется мизерное количество германия (менее 0,05 мг), он дороже золота.
Как и электронные лампы, транзисторы, изготовленные при помощи существовавших тогда методов, при сборке схем приходилось соединять вручную и припаивать. Работа была очень тяжелой, а схемы занимали значительно больше места, чем хотели сторонники миниатюризации. Кроме того, все компоненты схемы образовывали хаотическое нагромождение, подверженное загрязнению и механическим повреждениям, что было существенным недостатком передовой кремниевой технологии.
Еще в 1952 г. Г. У. Даммер, английский специалист в области радиолокации, выдвинул смелое предположение, позволявшее создавать миниатюрные и при этом дешевые схемы. На симпозиуме, проходившем в Вашингтоне, он предложил размещать всю схему целиком – резисторы, транзисторы и другие компоненты – в сплошном блоке полупроводникового материала, но не реализовал свою идею. Позже один американский инженер, не знакомый с работой Даммера, воплотил ее в жизнь.
С активным внедрением транзисторов в 1950-х гг. связано рождение второго поколения компьютеров. Один транзистор мог заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин выросло в десять раз при значительном снижении размеров и веса. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, которые могли хранить значительный объем информации.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 г. к созданию компьютера UNIVAC, над которым работали Дж. П. Эккерт и Дж. Моучли, участники проекта ЕNIAC. Он стал первым серийно выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США и в 1952 г. убедительно продемонстрировал свою мощь, обработав предварительные данные о голосовании и «предсказав» победу Д. Эйзенхауэра на выборах.
2.3. Третье поколение ЭВМ
Уроженец Канзаса Джек Килби (1923–2005), не добрав на вступительных экзаменах по математике трех баллов, не смог поступить в Массачусетский технологический институт. В мае 1958 г., проработав 10 лет в фирме, выпускавшей радио- и телевизионные детали, где ему удалось получить место после окончания Иллинойсского университета, Килби с радостью ухватился за возможность перейти в фирму Texas Instruments.
Эта быстро растущая компания, ставшая в 1954 г. одним из первых коммерческих производителей кремниевых транзисторов, выполняла в то время военный заказ по миниатюризации электронных схем [17, с. 48].
Разработанный тогда метод микромодулей заключался в следующем: электронные элементы печатались на тончайших керамических пластинках, которые затем спаивали в виде стопки, получая нужную схему. Килби понял, что не только резисторы и конденсаторы можно делать из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, но и все компоненты на одной и той же полупроводниковой пластине. Через несколько месяцев он убедил в правильности своей идеи скептически настроенного шефа, изготовив первый грубый опытный образец.
Первая интегральная схема (ИС) представляла собой тонкую германиевую пластинку длиной 1 см. Это устройство не отличалось особым изяществом. Пять компонентов схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском. Тем не менее схема работала. Фирма сообщила о рождении нового устройства в январе 1959 г. Для того чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, компания построила для ВВС США компьютер.
Инженеры назвали устройства шедеврами миниатюризации – интегральными микросхемами (ИМС), но чаще их называют чипами (от англ. chip – щепка). Размером с ноготь, а часто и меньше, этот тоненький кусочек матового, похожего на металл вещества, называемого кремнием, способен обрабатывать и хранить информацию, решая практически любые задачи – от управления персональными компьютерами, видеоиграми и прочими домашними приспособлениями до управления роботами на сборочных конвейерах.
Каждая современная микросхема представляет собой многослойное сплетение сотен схем, настолько крошечных, что их невозможно различить невооруженным глазом. В этих схемах есть и пассивные компоненты: резисторы, создающие сопротивление электрическому току, и конденсаторы, способные накапливать заряд. Однако самыми важными компонентами электронных схем являются транзисторы – приборы, способные как усиливать напряжение, так и включать и выключать его, «разговаривая» на двоичном языке, который используется при электронной обработке информации.
Многочисленные и разнообразные компоненты ИМС формируются непосредственно в кристалле кремния (как мы уже говорили, это один из самых распространенных в природе элементов, содержание которого в земной коре составляет около 28 %). При обычных условиях кремний не проводит ток. Но при внесении примесей – незначительного количества таких элементов, как бор или фосфор, – свойства его кристаллической структуры меняются – и в кристалле могут распространяться электрические импульсы со скоростью, равной половине скорости света. До изобретения интегральной схемы (1959) каждый компонент электронной схемы изготавливался отдельно, а затем они соединялись пайкой. Появление ИС изменило всю технологию. Электронная аппаратура стала дешевле, универсальней, малогабаритней, надежней и более быстродействующей, поскольку электрическим импульсам приходилось преодолевать меньшие расстояния. Наиболее сложные современные ИМС содержат до нескольких сотен тысяч компонентов.
Микросхемы изготавливают из единого кристалла, слой за слоем, используя метод фотолитографии и травления, настолько точный, что допуск не превышает 0,2 мкм. Благодаря этому сложному и тончайшему процессу была создана совершенно новая отрасль промышленности – микроэлектроника. К настоящему времени электронная промышленность, основанная на ИС, в целом превратилась в самую развитую отрасль производства в мире.
В 1959–1964 гг. был разработан язык COBOL, ставший основным языком программирования в 1960–70-х гг. Чуть позже появились языки ALGOL и Basic.
В изобретенных ИМС (чипах) все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволило сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повысилась в десятки раз.
Существенно уменьшились габариты машин. Появление чипа знаменовало рождение третьего поколения компьютеров.
К началу 1960-х гг. компьютеры широко применялись для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчетов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дорогостоящее обслуживание больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 г. американской фирме Digital Equipment Corporation выпустить миникомпьютер PDP-8 стоимостью 20 тыс. долл., что сделало его доступным для средних и мелких коммерческих компаний [17, с. 49].
Таким образом, после 1964 г. появилось третье поколение компьютеров, проектирующихся на основе интегральных схем малой (МИС – 10–100 компонентов на кристалл) и средней (СИС – 100–1000 компонентов на кристалл) степени интеграции. Была реализована идея проектирования семейства компьютеров с одной и той же архитектурой, в основу которой положено программное обеспечение, появились миникомпьютеры.
Представители IBM – гиганта компьютерной индустрии – 7 апреля 1964 г. провели 77 пресс-конференций в 15 странах мира. По словам главы фирмы Т. Уотсона-младшего, они сделали самое важное объявление за всю историю компании: сообщили о создании семейства машин, которое было названо «Система-360». Серия дебютировала шестью моделями, различавшимися по мощности и стоимости. По оценкам специалистов, на исследования, разработку и внедрение в производство одновременно шести машин компания затратила около 5 млрд долл., что вдвое превышало расходы США во время Второй мировой войны на Манхэттенский проект, целью которого было создание атомной бомбы.