основных элементов, расположенных в стеклянной вакуумной лампе: катода, анода и разделяющей их сетки. При нагревании катода внешний источник питания испускает электроны, которые собираются на аноде. Сетка, расположенная в середине лампы, позволяет управлять потоком электронов. Когда на сетку подается ток отрицательного потенциала, электроны отталкиваются от сетки и притягиваются катодом; при подаче тока положительного потенциала электроны проходят через сетку и улавливаются анодом. Таким образом, изменяя значение потенциала сетки, можно моделировать состояние анода включено/выключено.

К сожалению, вакуумная лампа в качестве переключателя оказалась малоэффективной. Она потребляла много электроэнергии и выделяла большое количество тепла - весьма существенная проблема для вычислительных систем того времени. Вакуумные лампы оказались ненадежными, главным образом из-за постоянного перегрева: в больших системах лампы приходилось менять каждые два часа или даже чаще.

Изобретение транзистора (или полупроводника) явилось одним из наиболее революционных событий эпохи персонального компьютера. В 1947 году инженеры Bell Laboratory Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain) изобрели транзистор, который был представлен широкой общественности в 1948 году. Несколько месяцев спустя Уильям Шокли (William Shockley), один из сотрудников компании Bell, разработал модель переходного транзистора. В 1956 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики. Транзистор, который, по сути, представляет собой твердотельный электронный переключатель, заменил громоздкую и неудобную вакуумную лампу. Поскольку потребляемая транзисторами мощность незначительна, построенные на их основе компьютеры имели гораздо меньшие размеры и отличались более высоким быстродействием и эффективностью.

Транзисторы состоят главным образом из кремния и германия, а также добавок определенного состава. Проводимость материала зависит от состава введенных примесей и может быть отрицательной, т. е. N-типа, или положительной, P-типа. Материал обоих типов является проводником, позволяющим электрическому току выбирать любое направление. Однако при соединении материалов разных типов возникает барьер, в результате чего электрический ток определенной полярности течет только в одном направлении. Именно поэтому такой материал называется полупроводником.

Для создания транзистора материалы P- и N-типа следует разместить "спиной друг к другу", т. е. поместить пластину одного типа между двумя пластинами другого типа. Если материал средней пластины обладает проводимостью P-типа, то транзистор будет обозначен как NPN, а если N-типа - то как PNP.

В транзисторе NPN одна из пластин N-типа, на которую обычно подается ток отрицательного потенциала, называется эмиттером. Средняя пластина, выполненная из материала P-типа, называется базой. Вторая пластина полупроводника N-типа называется коллектором.

Транзистор NPN по своей структуре похож на триодную электронную лампу: эмиттер является эквивалентом катода, база эквивалентна управляющей сетке, а коллектор подобен аноду. Изменяя потенциал электрического тока, проходящего через базу, можно управлять потоком электронов, проходящим между эмиттером и коллектором.

По сравнению с электронной лампой транзистор, используемый в качестве переключателя, обладает гораздо большей эффективностью, причем его размеры могут быть поистине микроскопическими. В июне 2001 года разработчики компании Intel представили наименьшие и при этом наиболее быстродействующие кремниевые транзисторы, вели-

чина которых достигает всего лишь 20 нанометров (1 нанометр равен 1 миллиардной части метра). Как ожидается, эти транзисторы впервые появятся в процессорах образца 2007 года, которые будут содержать около миллиарда транзисторов, работающих с тактовой частотой 20 ГГц! Для сравнения: по данным на 2001 год, процессор AMD Athlon XP содержит более 37,5 млн транзисторов, а Pentium 4 включает около 42 млн транзисторов.

Переход с вакуумных электронных ламп на транзисторы положил начало процессу миниатюризации, который продолжается и по сей день. Современные модели портативных или карманных компьютеров, работающих на аккумуляторах, имеют более высокую производительность, чем системы, занимавшие когда-то целые комнаты и потреблявшие огромное количество электроэнергии.

Интегральные схемы

В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему - полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что микропроцессор Pentium Pro состоит из 5,5 млн транзисторов, а интегрированная кэш-память, встроенная в одну из микросхем, содержит еще 32 млн транзисторов. Сегодня во многих интегральных схемах используется несколько миллионов транзисторов.

Первый микропроцессор

В 1998 году компания Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была основана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эндрю Гроувом (Andrew Grove). Ученые поставили перед собой вполне определенную цель: создать практичную и доступную полупроводниковую память. Ничего подобного ранее не создавалось, учитывая тот факт, что запоминающее устройство на кремниевых микросхемах стоило по крайней мере в 100 раз дороже обычной для того времени памяти на магнитных сердечниках. Стоимость полупроводниковой памяти достигала одного доллара за бит, в то время как запоминающее устройство на магнитных сердечниках стоило всего лишь около пенни за бит. Вот что сказал Роберт Нойс: "Нам было необходимо сделать лишь одно - уменьшить стоимость в сто раз и тем самым завоевать рынок. Именно этим мы в основном и занимались".

В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, намного превысив емкость существующих в то время микросхем. (1 Кбит равен 1024 битам, один байт состоит из 8 битов, т. е. эта микросхема могла хранить всего 128 байт информации, что по современным меркам ничтожно мало). Созданная микросхема, известная как динамическое оперативное запоминающее устройство 1103 (DRAM), стала к концу следующего года наиболее продаваемым полупроводниковым устройством в мире. К этому времени Intel выросла из горстки энтузиастов в компанию, состоящую более чем из 100 служащих.

Японская компания Busicom обратилась к Intel с просьбой разработать набор микросхем для семейства высокоэффективных программируемых калькуляторов. В то далекое время логические микросхемы разрабатывались непосредственно для определенного приложения или программы. Большая часть микросхем, входящих в этот заказ, была предназначена для выполнения строго определенного круга задач, поэтому ни одна из них не могла получить широкого распространения.

Первоначальная конструкция калькулятора компании Busicom предусматривала по крайней мере 12 микросхем различных типов. Инженер компании Intel Тед Хофф (Ted Hoff) отклонил данную концепцию и вместо этого разработал однокристальное логическое устройство, получающее команды приложения из полупроводниковой памяти. Этот центральный процессор управлялся программой, которая позволяла адаптировать функции микросхемы для выполнения поступающих задач. Микросхема была универсальной по своей природе, т. е. ее применение не ограничивалось калькулятором. Логические же модули других конструкций имели только одно назначение и строго определенный набор встроенных команд. Новая микросхема могла считывать из памяти набор команд, которые и использовались для управления ее функциями. Тед Хофф стремился разработать вычислительное устройство, размещенное в одной микросхеме и выполняющее самые разные функции в зависимости от получаемых команд.

С этой микросхемой была связана одна проблема: все права на нее принадлежали исключительно компании Busicom. Тед Хофф и другие разработчики понимали, что данная конструкция имеет практически неограниченное применение, позволяя преобразовывать "несуразные" машины в настоящие интеллектуальные системы. Они настояли на том, чтобы Intel выкупила права на созданную микросхему. Основатели Intel Гордон Мур и Роберт Нойс всячески поддерживали создание новой микросхемы, в то время как другие сотрудники компании были обеспокоены тем, что это нанесет удар по основному бизнесу Intel - продаже оперативной памяти. Каждый микрокомпьютер Intel, состоящий из четырех микросхем, содержал в те времена по два модуля памяти. Вот что сказал бывший коммерческий директор Intel: "Вначале я относился к этой архитектуре, как к способу выгодной реализации большого количества микросхем памяти, и именно в это направление мы собирались вкладывать дополнительные средства".

Компания Intel предложила Busicom вернуть отданные ею за лицензию 60 тыс. долларов в обмен на право распоряжаться разработанной микросхемой. Японская фирма, находящаяся в тяжелом финансовом положении, согласилась. В это время никто из производителей, равно как и сама Intel, не смогли в полной мере оценить важность этого события. Как оказалось впоследствии, именно эта сделка определила будущее Intel. В 1971 году появился первый 4-разрядный микрокомпьютерный набор 4004 (термин микропроцессор появился значительно позднее). Микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2 300 транзисторов, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC. Как уже отмечалось, в системе ENIAC, созданной в 1946 году, было около 18 тыс. вакуумных электронных ламп; она занимала 3 000 кубических футов (85 кубических метров). Микропроцессор 4004 выполнял 60 тыс. операций в секунду, что являлось на то время невероятным достижением.

В 1972 году был выпущен преемник 4004 - 8-разрядный микропроцессор 8008. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8-разрядной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2 500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В число призеров вошла и одна из разработок IBM, ставшая впоследствии первым персональным компьютером.

В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти 286 стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно