Пик расцвета («золотая эра») ламповой схемотехники пришёлся на 1935—1950 годы.

Катод

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Анод

Анод электронной лампы

Положительный электрод. Выполняется в форме пластины, чаще коробочки имеющей форму цилиндра или параллелепипеда. Изготавливается обычно из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита.

Сетка

Между катодом и анодом располагаются сетки, которые служат для изменения потока электронов и устранения различных вредных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.

Сетка может представлять собой решетку из тонкой проволоки или (чаще) проволочную спираль, навитую на несколько поддерживающих стоек (траверс). В стержневых лампах роль сеток выполняет система из нескольких тонких стержней, параллельных катоду и аноду, и физика их работы иная, чем в традиционной конструкции.

Лекция №3 Второе поколение компьютеров, транзисторная технология.

Вопросы:

Создание транзисторов.

Компьютеры на базе транзисторов.

 

Создание транзисторов.

Элементной базой второго поколения стали полупроводники.

Диод – пример самого простого полупроводника. Его принцип заключается в свойствах между металлом и полупроводником. Они применяются в аппаратуре, которая служит для преобразования электрических колебаний. Они выпрямляют ток и поэтому применяться в стабилизаторах. Во втором поколении машин диоды стали активно использоваться. На их базе строятся схемы дешифраторов и пассивно запоминающих устройств.

Транзисторы пришли на смену не надежным электронно-вакуумным лампам. Транзисторы значительно уменьшили компьютеры в размере и стоимости. И не удивительно. Один транзистор способен заменить несколько десятков электронных ламп. При этом тепловыделение значительно уменьшилось и потребление электроэнергии тоже, а скорость работы стала выше.

Если сравнивать машины первого и второго поколения, то на примере это выглядело так. Марк-1 это компьютер первого поколения, занимавший огромный зал. Его высота 2,5м и длина 17м и при этом он стоил 500 тыс. долларов. PDP-8 – ЭВМ второго поколения. Размером с холодильник, и при этом он стоил всего 20 тыс. долларов.

Похожими свойствами, как у полупроводника есть и у электронной лампы. Когда нагрет катод, возникает эмиссия и ток течет в одном направлении. От катода (-) к аноду (+) который положительно заряжен. В обратном направлении напряжения нет. Отсюда и возникла идея вместо электронных ламп использовать полупроводники. Это значительно сэкономит электроэнергию, затраты на охлаждение и сделает компьютеры более надежными.

 

Транзистор (от англ. transfer – переносить и resistor – сопротивление) - трёхэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим. Действие транзистора можно сравнить с действием плотины, которая, перегораживая реку (постоянный источник), создает перепад уровней воды (Рис.1). Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды огромной мощности, т.е. энергией мощного постоянного источника.

Первый действующий транзистор был создан группой ученых из США лаборатории Bell Labs (У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн) в 1947 23 декабря. С тех пор именно этот день считается днем открытия транзистора, но лишь в 1956 году его разработчикам была присуждена Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Дж. Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости. Следует отметить, что параллельно с США к созданию транзисторов в то время вплотную приблизились очень многие страны, поэтому с полной уверенностью можно говорить, что «транзистор – дитя многих родителей».

В структуре любого транзистора есть три вывода – это база (затвор), эмиттер и коллектор. Управление током в выходной цепи осуществляется либо за счет изменения входного тока, либо входного напряжения. При этом даже небольшое варьирование входных величин может приводить к существенному изменению выходного напряжения и тока. Принцип работы транзистора во многом похож на принцип действия такого известного всем устройства, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед его узким отверстием, направив широкое в сторону другого человека, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Вот так и в случае транзистора.

Если пропустить через участок “база – эмиттер” слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз, а усиленный ток потечет через участок “коллектор – эмиттер”. Это явление связанно с тем, что внешние электрические поля и токи могут изменять плотность носителей заряда в полупроводнике и оказывать существенное влияние на его электропроводность.

Усиливающая способность транзисторов используется в аналоговой технике, например, в аналоговом телевидении и радио. Другим важнейшим применением является цифровая техника (память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т.п.) – транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров. В настоящий момент вся современная цифровая техника основана на так называемых МОПТ – транзисторах, изготовленных на основе металл – оксид – полупроводниковых слоев. При этом транзистор может работать как единичный (дискретный) прибор, так и являться элементом интегральной схемы.

Последние изготавливаются в рамках планарной интегральной технологии на одном кремниевом кристалле, который называется чипом, и составляют элементарный “кирпичик” для построения памяти, процессора и т.п.

На одном чипе, обычно размером 1-2 см², размещаются десятки миллионов МОПТ, размеры каждого из которых не превышают 45-60 нанометров (это размер базовой части транзистора). На протяжении последних десятков лет происходит стремительная миниатюризация МОПТ (т.е. уменьшение их размеров) и увеличение степени их интеграции (т.е. количества на одном чипе), причем в ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции вплоть до миллиарда транзисторов на одном чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров за счет увеличения их тактовой частоты. Уже сейчас компанией Intel созданы тестовые образцы 32-нанометровых микросхем, промышленное внедрение которых намечено на 2009 год.

Полупроводниковая кремневая электроника фактически подошла к пределу своих возможностей, связанному с фундаментальными физическими ограничениями, не позволяющими в дальнейшем на её основе создать все более производительные и миниатюрные устройства. Традиционный затвор с диэлектриком из двуокиси кремния (SiO2) имеет толщину всего в несколько атомных слоев (~ 1,2 нм). Дальнейшее уменьшение его толщины приводит к значительным утечкам за счет туннельного тока (проявление квантовых эффектов) и, как следствие, к увеличению потребления энергии и тепловыделения транзистора.

Поэтому качественным выходом из сложившегося «тупика» может быть только переход к электронным приборам и схемам, построенным на совершенно иных принципах.

Так, например, создан ы транзисторы на основе прозрачных полупроводников (оксид цинка) для использования в матрицах дисплеев. Перспективным материалом, который позволит разрабатывать «гибкие дисплеи», являются полупроводниковые полимеры. Большие надежды будущего наноэлектроники возлагают на использование в качестве основного элемента транзистора полупроводниковых нанопроволок, поскольку современные технологии приготовления нанопроволок уже допускают их интеграцию со стандартной кремниевой технологией. Главным конкурентом таких полупроводниковых структур являются углеродные нанотрубки, обладающие уникальными электронными свойствами.

Однако нанотрубки страдают одним, но очень большим недостатком – в зависимости от диаметра и хиральности они могут обладать как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами, а контролируемый синтез трубок одного типа все еще остается достаточно трудной технологической задачей. Следует отметить, что помимо разновидностей полупроводниковых транзисторов ведутся разработки объектов совершенно иной категории – «одноэлектронных транзисторов», работающих на одной единственной молекуле, а также «оптических транзисторов», как основного элемента для фотоники, в которых в качестве передающего звена выступают не электроны, а фотоны.

Оптический транзистор.

Над созданием квантового Интернета, использующего квантовые транзисторы, работают физики немецкого Института оптики имени Макса Карла Эрнста Людвига Планка во главе с Герхардом Ремпе (Gerhard Rempe). 14 мая этого года они создали систему, основанную на одном атоме, которую они называют «квантовым оптическим транзистором». В будущем такие транзисторы, возможно, станут основой компьютеров и информационных сетей.

Квантовый транзистор отличается от традиционного тем, что использует особенности квантовой физики, в которой частицы могут сообщаться через открытое пространство даже без необходимости соприкосновения. Квантовый транзистор, разработанный сотрудниками Института квантовой оптики, использует луч света, чтобы изменять свойства другого луча. Это позволяет передавать информацию из точки A в точку Б без необходимости создания каналов передачи.

Их метод опирается на сложную технику управления светом, которая называется электромагнитно вызываемая прозрачность. Один лучсветаконтролирует свойства другого, почти как в обычных транзисторах напряжение контролирует ток, проходящий через транзистор

Немецкие исследователи поместили атом рубидия в конструкцию между двумя тонкими зеркалами, находящимися на расстоянии полмиллиметра друг от друга. Затем они направили лазер на данную конструкцию, настроив его так, чтобы атом начал отражать свет. Затем направили на атом второй управляющий луч лазера с иной частотой под прямым углом к первому и настроили его так, чтобы создать условия прозрачности для прохождения первого лазера чрез конструкцию. Таким образом, система стала иметь два состояния — прозрачное и непрозрачное, по аналогии с открытым и закрытым состоянием классического транзистора.

Следует отметить, что Ученые из IBM создали самый быстрый в мире транзистор из графена. Он способен работать на тактовой частоте 26 ГГц. По мнению исследователей, в теории скорость можно увеличить как минимум еще в 40 раз. Графен – это структурный материал из одного двумерного слоя атомов углерода.

Главным преимуществом графеновых транзисторов над транзисторами из кремния является более высокая мобильность электронов – это общеизвестный факт, заставляющий ученых исследовать способы создания компонентов электрических цепей из графена и области их применения. Однако до сих пор не было известно, имеет ли влияние размер графенового транзистора на скорость его работы.

2. Компьютеры на базе транзисторов Вместе с заменой ламп на транзисторы и усовершенствовалась элементная база хранения информации. Для хранения информации стали применять не только перфоленты и перфокарты, но и магнитную ленту. Что значительно ускорило ввод-вывод информации в машину. К началу 60-х годов стали применять накопители на магнитных дисках. Что еще значительнее ускорило обработку информации. Предшествующие ламповые компьютеры нуждались в дополнительном оборудовании. В подвалах вычислительных центров находились средства электропитания кондиционирования воздуха. С приходом второго поколения ЭВМ, потребность в них отпала. К тому же электронная – вакуумная лампа работает тогда и только тогда когда через нее проходит эмиссионный ток. Эмиссия возникает когда катод лампы нагрет до большой температуры. Машины прошлого поколения имели десятки тысяч таких ламп. На их питание нужна была не малая электрическая энергия. От 50-150 киловатт. Память на магнитных сердечниках или ферритовая память   Применялась также память на магнитных сердечниках. Представляя из себя матрицу маленьких колец которые поляризовались в двух направлениях. Что соответствовало одному биту информации. Технология отлично подходила в качестве оперативной памяти ЭВМ. Платы собирались почти вручную и были очень дорогие. А их объем составлял около 32 Кб. Память на магнитных сердечниках или ферритовая память как ее еще называли. Строилась на базе ферритов это полупроводник но обладает определенными магнитными свойствами. Производятся они из магнитного железняка с примесями магния и никеля. Достоинство их в том, что они могут быстро намагничиваться и сохранять свое намагниченное состояние. Ферриты обладают высоким сопротивлением и потери тока при их намагничивании минимальны. Из ферритов делаются сердечники. Напоминают обычные кольца. Эти кольца выстраивают рядами, образуя матрицу. Так называемую плату памяти. На каждом сердечники есть две обмотки для записи бита данных и одна для считывания. В машине UNIVAC и LARC впервые начали использоваться магнитные барабаны. IBM для своих ЭВМ IBM 1401, IBM 1410 применили магнитные диски. Однако в чем отличие второго поколения от первого? В их элементной базе. Транзисторы заменили лампы. Как следствие возросла производительность. Уменьшилась потребление электроэнергии. Уменьшилось выделение тепла. Нет необходимости в мощном кондиционировании помещений. Отечественные ЭВМ второго поколения. Среди советских компьютеров второго поколения стал Минск-22. Он мог выполнять до пяти тысяч элементарных операций в секунду. Его оперативная память была построена на ферритовых сердечниках, объемом порядка шести – восьми тысяч чисел. В нем применялись магнитные диски, которые могли хранить несколько миллионов чисел. Для вывода даных к нему возможно было подключить алфавитное - цифровое печатающее устройство. Последующая модель Минск-32 могла выполнять уже 250 тысяч операций в секунду. Объем оперативной памяти составлял 65 536 байт. PDP-8 компьютер второго поколения. Производство корпорации DEC.   С появлением компьютеров второго поколения расширилась сфера их применения. От правительственных и военных учреждений, они стали появляться в частных организациях, институтах. Начали создавать специальное системное программное обеспечение. Появились системы пакетной обработки информации. Предшественники операционных систем, которые предназначались для управления вычислительным процессом. Был разработан формальный язык управления заданиями. Совокупность нескольких заданий, в виде колоды перфокарт. Получил название пакет заданий. Данный подход жив и до сих пор. В ДОС bat – файлы, в Windows cmd – файлы. Затем и операционные системы не заставили себя долго ждать. Именно для компьютеров второго поколения начали разрабатывать операционные системы. Это значительно ускорило управление ЭВМ. Большое внимание уделяли усовершенствованию программированию машин. В 50-х стали появляться первые языки программирования: B0, Fact, MathMatic и другие. В след за ними появились языки высокого уровня Fortran, Algol. В дальнейшем стали разрабатывать библиотеки в которых хранились ранее созданные функции. Написанные один раз вызывались они повторно.

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличело емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д.