62 подписчика

Глава 3. История развития мировой электроники. Часть 2. Парадигма вакуумной электроники.

18 января 202018 янв 2020

5 мин

С начала 20 века велась активная разработка новых электронных компонентов, использующих явление термоэмиссии, которые должны были заменить существующую элементную базу. Первые успехи были достигнуты в 1904 году английским учёным Дж. А. Флемингом с изобретением двухэлектродной электронной лампы (диода) (рис.20), а в 1907 году была создана трёхэлектродная лампа (триод) американским инженером Л. Де Форестом (рис.21) [12]. Это привело к бурному развитию в 1910-1920-х годах радиосвязи и радиовещания, а появление в 1930-х годах электронно-лучевых приборов обусловило возникновение современного телевидения

В электронной лампе можно выделить три ключевых элемента, которые расположены в вакууме или в разряженном газе: катод, анод и сетка.

В электронной лампе используется процесс термоэлектронной эмиссии — испускания электронов накаленным металлом, находящимся в эвакуированном баллоне. Давление остатков газа настолько ничтожно, что разряд в лампе практически можно считать чисто электронным, так как ток положительных ионов исчезающе мал по сравнению с электронным током.

Электроны, испускаемые катодом, попадая в поле между анодом и катодом, увлекаются к аноду, если его потенциал выше. Если же потенциал катода выше, то ламповый триод тока не пропускает. Таким образом, возникает ток между отрицательно заряженным катодом и положительно заряженным анодом. Для управления потоком электронов используется сетка (рис.22).

Электронная лампа (триод) представляет собой переключающий элемент, необходимый для создания логических схем. В зависимости от потенциала на сетке она или пропускает, или не пропускает ток, то есть представляет собой элемент с двумя устойчивыми состояниями.

Рис. 22. Устройство вакуумной электронной лампы (ламповый триод).

Рис.23. Дифференциальный анализатор Буша.

Первым вычислительным устройством, использующем вакуумные лампы, является дифференциальный анализатор, созданный в 1930 году американцем Ванноваром Бушем (рис.23). В действие устройство приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач [13].

Спустя семь лет после этого Джордж Штибиц, учёный из США, изобрёл электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре – математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов «И», «ИЛИ» и «НЕ».

В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Таким образом, начиная с этого момента, в ЭВМ стали применяться логические элементы, образующие переключательные схемы на основе делителей напряжения, конструкция которых могла быть реализована на любых компонентах электронной компонентной базы, существовавших на тот момент времени – реле и лампы.

По мере улучшения вакуумной вычислительной техники создавались новые, более совершенные, устройства, и в 1942 году в английской правительственной лаборатории была построена первая в мире ЭВМ, получившая название «Колосс» (рис.24). В ней использовалось 2 тысячи электронных ламп для хранения и обработки информации [14].

Рис. 24. Секретный британский компьютер «Колосс».

Со временем электронные лампы совершенствовались, а также появлялись новые принципы построения и работы ЭВМ. Уже в 1945 году в США был построен универсальный ЭВМ «ЭНИАК» (рис.25). Компьютер состоял из 18 тысяч ламп и располагался на 170 квадратных метрах площади. Данная ЭВМ могла производить 300 операций умножения или 5 тыс. операций сложения за одну секунду.

В течении следующего десятилетия шло активное развитие ЭВМ по всему миру. В 1958 году в СССР была создана самая мощная в Европе ЭВМ того времени «М-20», которая могла выполнять до 20 тысяч операций в секунду [15] (рис.26).

В целом, вакуумная электроника дала возможность появления мощных вычислительных машин, которые активно использовались почти во всех отраслях науки и техники. На ЭВМ производили инженерные расчеты, занимались прогнозом погоды, находили решения сложных математических задач.

Однако, эксплуатация ЭВМ, основанных на использовании вакуумных ламп, была слишком сложна из-за частого выхода таковых из строя: электронные лампы часто перегорали, и их замена производилась вручную. Обслуживанием такой ЭВМ занимался целый штат инженеров. Программы для таких машин писали в машинных кодах. Программистам необходимо было знать все команды машины и их двоичное представление. Кроме того, данные ЭВМ занимали огромные площади, потребляли колоссальное количество энергии, а также выделяли большое количество тепла, которое необходимо было отводить с помощью мощных вентиляторов. Выделение тепла в лампе было обусловлено работой тока в катоде, который необходимо питать для реализации эмиссии электронов. Из-за этой необходимости происходит снижение КПД и возникает необходимость в прогреве устройства перед использованием, что в свою очередь влияет ещё и на быстродействие.

Проанализировав недостатки устройств, основанных на вакуумных лампах, учёные начали искать новые пути развития концепции построения вычислительных устройств, что привело к появлению новых парадигм электроники, давшим начало современным ЭВМ на основе транзисторов и интегральных схем.

Пример построения сигмоидальных кривых для переходного процесса от механических вычислителей к электрическим представлен на рис.27.