Глава 4: Полупроводниковая революция

Появление полупроводников, в частности транзисторов, а затем и интегральных схем, представляет собой одну из наиболее значительных вех в истории информационных технологий. Эти изобретения не только значительно улучшили производительность и надежность компьютеров, но также позволили им распространиться в новые области и подготовили почву для последующей революции персональных компьютеров.

4.1 Изобретение транзистора:
Революционная замена электронных ламп

Как мы видели в предыдущей главе, первые компьютеры были основаны на использовании термоэмиссионных клапанов, устройств, которые, хотя и сделали возможным электронные вычисления, имели многочисленные недостатки.

Поиск более эффективных и надежных альтернатив привел в декабре 1947 года к изобретению транзистора в Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) Джоном Бардином, Уолтером Брэттеном и Уильямом Шокли. Это событие ознаменовало начало новой эры в электронике.

Транзистор — это полупроводниковое устройство, способное усиливать или переключать электронные сигналы. В отличие от электронных ламп, которые работают в вакууме, транзисторы представляют собой твердотельные устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий, электропроводность которых можно контролировать, изменяя напряжение, приложенное к управляющему электроду.

Первые транзисторы были типа биполярного перехода (BJT), но позже полевые транзисторы (FET) получили широкое распространение, что дало дополнительные преимущества с точки зрения энергопотребления и миниатюризации.

Появление транзистора принесло с собой ряд важных преимуществ перед электронными лампами:

Малый размер: Транзисторы были значительно меньше и легче ламп, что позволяло создавать гораздо более компактные компьютеры.
Низкое энергопотребление: Транзисторам требуется гораздо меньше энергии для работы, что снижает эксплуатационные расходы и проблемы с рассеиванием тепла.
Меньшее выделение тепла: Меньшее тепловыделение повышает надежность схемы и упрощает системы охлаждения.
Повышенная надежность и долговечность: Транзисторы были гораздо более прочными и имели значительно более длительный срок службы, чем хрупкие электронные лампы.
Более низкая стоимость: Производство транзисторов потенциально было дешевле, чем производство ламп, особенно в больших масштабах.
Более высокая скорость переключения: Транзисторы могут переключать состояния (из включенного в выключенное и наоборот) гораздо быстрее, чем лампы, что позволяет создавать более быстрые компьютеры.

Изобретение транзистора принесло Шокли, Бардину и Браттейну Нобелевскую премию по физике в 1956 году, что свидетельствует о его огромной научной и технологической значимости.

4.2 Первые транзисторные компьютеры:
Новое поколение машин

Внедрение транзисторов в компьютерное оборудование произошло не сразу, но постепенно, на протяжении 1950-х и начала 1960-х годов, компьютеры на основе транзисторов начали заменять компьютеры на электронных лампах. Этот переход привел к так называемому второму поколению компьютеров .

Транзисторные компьютеры предлагали лучшую производительность, большую надежность и меньшую занимаемую площадь, чем их ламповые предшественники. Некоторые известные примеры транзисторных компьютеров включают:

IBM 7090: Представленный в 1959 году, это был один из первых мейнфреймов IBM, в котором использовались транзисторы. Он был намного быстрее и надежнее, чем его ламповый предшественник, IBM 704.
DEC PDP-1: Выпущенный в 1960 году компанией Digital Equipment Corporation (DEC), PDP-1 был одним из первых успешных миникомпьютеров.
Его небольшой размер и относительно более низкая стоимость по сравнению с мэйнфреймами сделали его доступным для более широкой аудитории, включая исследовательские лаборатории и университеты.
Атлас: Компьютер, разработанный совместно Манчестерским университетом и компанией Ferranti International в 1962 году, был одним из первых, кто использовал виртуальную память, метод, который позволял программам работать больше, чем доступна физическая память.

Переход на транзисторы был не только технологическим изменением, но и открыл новые возможности для компьютерной архитектуры и приложений, которые можно было запускать. Например, большая надежность транзисторов позволила создавать более сложные системы и выполнять более длительные вычисления без частых перерывов.

4.3 Развитие интегральных схем:
Миниатюризация, доведенная до крайности

Если транзистор представлял собой революцию в базовых электронных компонентах, то разработка интегральной схемы (ИС) , также известной как микрочип, стала дальнейшим прорывом, который вывел миниатюризацию и производительность компьютеров на беспрецедентный уровень. Фундаментальная идея интегральной схемы заключалась в изготовлении множества электронных компонентов (таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы), соединенных между собой на одной подложке из полупроводникового материала, обычно кремния.

Изобретение интегральной схемы независимо приписывается двум инженерам:

Джек Килби: В 1958 году в компании Texas Instruments Килби создал первую работающую интегральную схему, продемонстрировав возможность объединения нескольких компонентов на одном германиевом чипе.
Роберт Нойс: В Fairchild Semiconductor в 1959 году Нойс разработал интегральную схему на основе кремния, которая обеспечивала большую надежность и простоту производства, чем германий. Проект Нойса также включал метод соединения компонентов чипа посредством процесса планаризации, что оказалось критически важным для массового производства.

Первые интегральные схемы содержали ограниченное количество компонентов (обычно от нескольких до десятков) и попадали в категорию Малой интеграции (SSI) . Однако даже эти ранние чипы продемонстрировали заметные преимущества этой технологии:

Дальнейшее уменьшение размера и веса: Интеграция нескольких компонентов на одном чипе позволила создавать еще более компактные электронные схемы.
Снижение стоимости: Массовое производство интегральных схем обещало значительно снизить стоимость каждого компонента.
Большая скорость: Электрические сигналы должны были проходить гораздо более короткие расстояния внутри чипа, что уменьшало задержки и увеличивало скорость обработки.
Повышенная надежность: Уменьшение количества внешних соединений между компонентами снизило вероятность отказа.
Снижение энергопотребления: Интеграция на одном чипе позволила еще больше снизить энергопотребление.

Появление интегральных схем положило начало третьему поколению компьютеров , характеризующемуся значительным уменьшением размеров, увеличением производительности и большей надежностью.

4.4 Влияние на компьютеры:
На пути к более мощным и доступным машинам

Появление транзисторов и интегральных схем оказало преобразующее влияние на компьютерную индустрию:

Сокращение размеров: Компьютеры становились все меньше, переходя от огромных комнат, занимаемых мейнфреймами, к системам, которые можно было разместить в шкафах или даже на столе.
Увеличение скорости: Более высокая скорость переключения транзисторов и более короткие расстояния внутри интегральных схем позволили компьютерам иметь еще большие вычислительные возможности.
Большая надежность: Устранение хрупких электронных ламп и сокращение количества внешних соединений привели к созданию систем, которые были гораздо более надежными и менее склонными к сбоям.
Снижение затрат: Массовое производство транзисторов и интегральных схем позволило снизить затраты на производство компьютеров, потенциально делая их доступными для более широкой аудитории.

Прямым результатом полупроводниковой революции стало появление мини-компьютера . Эти компьютеры, такие как вышеупомянутый DEC PDP-1 и последующие модели серии PDP, были меньше, дешевле и проще в использовании, чем большие мэйнфреймы. Это сделало их идеальными для исследовательских лабораторий, университетских кафедр, а также малого и среднего бизнеса, демократизируя доступ к вычислительной мощности.

4.5 Закон Мура:
Пророческое наблюдение

В 1965 году Гордон Мур, основатель Fairchild Semiconductor, а затем и Intel, опубликовал статью, в которой отметил, что количество транзисторов, которые можно интегрировать в интегральную схему, удваивается примерно каждый год (позже было пересмотрено примерно каждые 18–24 месяца). Это наблюдение, которое стало известно как Закон Мура , было не физическим законом, а скорее предсказанием, основанным на текущих технологических тенденциях.

Примечательно, что закон Мура оказался удивительно точным в течение нескольких десятилетий, стимулируя эволюцию полупроводниковой промышленности и приводя к экспоненциальному росту вычислительной мощности и постоянному снижению затрат. Увеличение плотности транзисторов на чипах позволило интегрировать все больше и больше функций в микропроцессоры и память, стимулируя инновации во всех областях вычислений.

Полупроводниковая революция с изобретением транзистора и разработкой интегральных схем представляет собой поворотный момент в истории вычислений. Эти технологии позволили преодолеть ограничения систем на основе электронных ламп, что привело к созданию компьютеров меньшего размера, более быстрых, надежных и менее дорогих. Появление миникомпьютеров стало прямым следствием этих достижений, сделав вычислительные мощности доступными для более широкой аудитории. Закон Мура, предсказывающий экспоненциальный рост плотности транзисторов, способствовал развитию аппаратного обеспечения на многие годы вперед. Эти разработки заложили основу для последующего бурного развития персональных компьютеров и цифровых технологий, которые сегодня проникают в нашу повседневную жизнь.