Как работает персональный компьютер?
Современные компьютеры сильно изменили нашу жизнь. Никто и подумать не мог, что они смогут делать то, что сегодня является самыми обычными вещами. Все это стало возможным благодаря длинной цепочке изобретений. Среди них есть самое важное — транзисторы. Что это такое, и какую роль они играют в работе компьютера?
Ранние компьютеры
Пожалуй, нужно начать с самих компьютеров и понять, что компьютер — это машина для выполнения математических операций. Самые ранние компьютеры были и вовсе похожи на счеты. Например, абакус. И только позже они уже состояли из механических деталей.
Появилось некоторое представление цифр, и система для их управления. Электрические компьютеры работают по тому же принципу. Просто вместо физического представления цифр, они представляются в виде электрического напряжения.
Законы булевой алгебры
Большинство компьютеров основываются на разделе математики под названием «Булева алгебра», в которой существует лишь два возможных значения: «истина» и «ложь», обозначаемые как «1» и «0» соответственно. Помимо этого, они представляются высоким и низким напряжениями. Различные операции между ними реализуются с помощью логических вентилей, на выходе которых возможен также либо «0», либо «1», в зависимости от результата выполнения данной операции. Есть три вентиля, которые отвечают за три операции: конъюнкция, дизъюнкция и отрицание. Конъюнкция выдает на выходе высокое напряжение, если на вход ей было подано два высоких напряжения. Дизъюнкция и отрицание работают по схожим принципам. Вентили можно соединять между собой, чтобы выполнять более сложные операции, например, сложение и вычитание. А компьютерные программы как раз и состоят из инструкций для выполнения всех этих операций. Такой подход нуждается в надежной системе контроля и управления электрическим током.
Электровакуумные трубки
Ранние электрические компьютеры, такие как ENIAC, использовали устройство под названием электровакуумная трубка. Самый ранний вид такой трубки – диод – состоит из двух электродов: катода и анода, которые находятся в стеклянной емкости в условиях высокого вакуума. При подаче напряжения на катод, он нагревается и выпускает электроны. Если анод обладает немного большим положительным потенциалом, то он притягивает электроны, тем самым замыкая цепь. Такой однонаправленный ток можно регулировать путем изменения напряжения, подающегося на катод, заставляя его выпускать больше или меньше электронов.
Вакуумные лампы
Следующая ступень в развитии вакуумной лампы – триод, который использует третий электрод — управляющую сетку. Это своеобразный фильтр между катодом и анодом, через который могут проходить электроны. Изменяя напряжение на этой сетке, она будет либо отталкивать электроны катода, либо пропускать, тем самым усиливая сигнал. Эта способность сделала триод очень важной деталью для будущих радиостанций и дала возможность осуществлять междугороднюю связь.
Первый компьютер ENIAC
Однако, несмотря на все эти достоинства, вакуумные трубки не были надежны и занимали много места. С 18 000 этих ламп на борту, ENIAC был размером почти с теннисный корт и весил 30 тонн. Ежедневно лампы выходили из строя, а за час он потреблял столько энергии, сколько потребляют 15 домов за целый день.
Компьютер на транзисторах
Решение этой проблемы – транзисторы. Вместо электродов они используют полупроводники, например, кремний с различными примесями. Используются полупроводники n-типа и полупроводники p-типа. Они располагаются по очереди. У каждого из них есть по одному электроду: эмиттер, база и коллектор. В основе данного n-p-n транзистора лежит феномен под названием «pn-интерфейс» или же «pn-переход», расположенный между эмиттером и базой. Он проводит электричество только в том случае, если напряжение превышает какую-то заданную отметку. В противном случае электроны не пропускаются. Таким образом, подавая разное входное напряжение, можно варьировать между высоким и низким выходным током.
Преимущество транзисторов
Преимущества транзисторов – их компактность и эффективность. Их не нужно нагревать. Они прослужат дольше и потребляют меньше энергии. Производительность ENIACа может отдыхать в сторонке по сравнению с производительностью чипа размером с человеческий ноготок и содержащим миллиарды транзисторов. Производя триллионы вычислений в секунды, современные компьютеры буквально способны творить чудеса.
Теперь-то вы точно знаете, что за всеми этими чудесами стоят малюсенькие устройства-переключатели.
