Книга Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

Я искал решение в единственном в Анкоридже «компьютерном бюро», которое возглавлял выпускник Стэнфордского университета Миллет Келлер. Здесь имелся всего один компьютер, IBM 1130 – последнее слово вычислительной техники на тот момент. Весь день Миллет писал коммерческие программы на языке программирования COBOL, предназначенные для составления отчетов местными банками. По ночам я получал возможность отлаживать собственные программы, написанные на языке FORTRAN. Этим языком программирования пользовались тогда многие ученые и инженеры. Благодаря использованию передовой техники IBM, выполнявшей 120 000 операций сложения в секунду, я мог моделировать состояние принадлежащих British Petroleum нефтяных месторождений на Аляске для облегчения их промышленной эксплуатации [63]. BP всегда была одним из лидеров в использовании компьютерных технологий. В начале XX в. она разработала программы для расчета наиболее экономичных маршрутов движения нефтяных танкеров. Но изобретение IBM 1130 предоставляло совершенно новые возможности для обработки информации в нефтяной отрасли. Будучи по образованию геофизиком, Миллет интересовался выполняемой мною работой и часто оставался со мной по вечерам, наблюдая за поведением компьютера или вводя в него перфокарты с изменениями в программе.

IBM 1130 был первым компьютером, с которым мне пришлось иметь дело по окончании Кембриджского университета. Он был менее мощным, чем установленный в университете Titan, но более компактным, дешевым и удобным. Titan занимал целую комнату и требовал для обслуживания целую команду лаборантов. IBM пыталась сделать компьютерные технологии более удобными для самых разных отраслей, в которых выполнение сложных расчетов становилось все более необходимым.

Сегодня разведка месторождений и бурение скважин без предварительных компьютерных расчетов кажутся немыслимыми. К тому времени, когда BP вела добычу нефти на месторождении Тандер Хорс, на котором одноименная нефтяная платформа едва не затонула в 2005 г. под ударами урагана «Деннис», уже использовались сейсмические и иные данные для построения трехмерных моделей месторождений глубиной в несколько километров [64]. Необходимая для этого обработка больших массивов информации стала возможна благодаря стремительному росту мощности компьютеров за минувшие 60 лет. А основу технологии обеспечил транзистор – крошечное устройство из кремния.

Кремниевый транзистор

В конце 1940-х гг. Уильям Шокли и его команда из состава группы, занимавшейся в Белловских лабораториях физикой твердого тела, изучала необычные электрические свойства группы полупроводников. В телефонных сетях компании Bell по-прежнему использовались механические коммутаторы, а усиление сигналов обеспечивали вакуумные лампы [65]. Техника была ненадежной и действовала медленно, и поэтому директор по научным исследованиям получил задание разработать альтернативу. Шокли полагал: решение могут дать полупроводники, на основе которых он надеялся создать новые коммутаторы и усилители [66]. Хотя теоретическая база выглядела безупречно, практические результаты оставляли желать лучшего. Его коллега Джон Бардин, блестящий физик-теоретик, также обратился к этой проблеме. Он догадался, что электроны удерживаются на поверхности полупроводника, а это, в свою очередь, останавливает движение электрического тока через устройство [67]. Вместе с Уолтером Бреттеном, чьи умелые руки служили прекрасным дополнением к мозгам Бардина, он сумел справиться с проблемой удержания электронов и, таким образом, перевел идею Шокли в практическую плоскость, что и обеспечило создание первого в мире транзистора [68].

В конце июня 1948 г. руководство Белловских лабораторий объявило: Шокли, Бардин и Бреттен создали первый полупроводниковый транзистор. Позже за выдающееся изобретение они были удостоены Нобелевской премии по физике. На пресс-конференции они объяснили, что транзистор способен заменить электровакуумную лампу – устройство, которое в ту пору использовалось в радиоприемниках и простейших вычислительных машинах. Подобно электровакуумной лампе, транзистор усиливал электрические сигналы и действовал как двухпозиционный переключатель, но работал быстрее, занимал меньше места и потреблял намного меньше энергии [69]. Но пресса сочла изобретение незначительным и уделила ему мало внимания. New York Times «поместила новость на 46-й странице под колонкой с сообщениями о сплетнях и слухах» [70]. Возможности транзистора не были осмыслены широкой публикой. Да и журналисты, должно быть, не понимали, какое влияние устройство и его функции способны оказать на повседневную жизнь. Даже сегодня лишь немногие осознают связь между крошечными кусочками кремния и сложными компьютерами, с помощью которых мы создаем изображения, управляем коммуникациями и генерируем звуки.

Любая вычислительная задача может быть разбита на последовательность простых логических действий, таких как решение суммировать два числа или выбрать одно из них. Эти действия контролируются «логическими вентилями», служащими базовыми строительными блоками цифровых схем. Логические вентили изготавливаются из транзисторов и других простых приспособлений и используют транзисторы как «ключи» для передачи сигналов. Большинство логических вентилей имеет два положения «включено» – «выключено», которые выполняют роль входов. Каждый может быть либо во «включенном», либо в «выключенном» состоянии. Обычно они обозначаются как «0» и «1», и выходной сигнал логического вентиля определяется двумя входными сигналами, а также типом самого вентиля. Например, логический вентиль «И» даст на выходе 1, только если сигнал 1 имеется на обоих входах. Все другие сочетания входных сигналов (0 и 1, 1 и 0, 0 и 0) дадут на выходе 0. Компьютер в простейшем виде представляет собой совокупность таких транзисторных логических вентилей, соединенных для получения сложного выходного сигнала. Мощность и сложность компьютера растут по мере того, как соединяется все больше и больше логических вентилей.

Транзисторы позволяют это, потому что имеют малые размеры, очень дешевы и потребляют минимум энергии, что позволяет объединить в одном компьютере огромное количество транзисторов. Быстродействие делает компьютеры полезными. Выполнение транзистором функции включения-выключения осуществляется слабым электрическим сигналом. Малые размеры транзистора и высокая скорость движения электронов позволяют переводить транзистор из включенного состояния в выключенное более 100 000 000 000 раз в секунду. Если бы вы нажимали клавишу электрического выключателя пальцем, то на выполнение такого количества переключений вам потребовалось бы 2000 лет. Полупроводниковые свойства кремния делают его идеально подходящим для выполнения таких переключений, хотя для этого прежде использовались и другие полупроводники, в частности германий, а современные транзисторы могут изготавливаться из многих разных сплавов. Однако ни один из них не может соперничать с кремнием с точки зрения сочетания высокой производительности и низкой стоимости [71].

Однако свое первое коммерческое применение транзистор нашел не в компьютерах, а в технологиях, использовавших другие его возможности, например усиление электрических сигналов. В частности, транзисторы использовались в слуховых аппаратах фирмы Sonotone, впервые выпущенных в 1952 г. Тот же принцип применялся и в радиоприемниках, обеспечивая усиление электромагнитных волн, которые распространяла передающая станция. Небольшие размеры транзистора позволили значительно снизить габариты и стоимость радиоприемников, ставших переносными и, таким образом, позволили владельцам постоянно принимать распространяемую в эфире информацию. Транзисторные радиоприемники провозгласили наступление новой эры для популярной музыки, которую теперь каждый мог слушать где угодно и когда угодно. По мере появления новых товаров пришло и широкое понимание важности транзисторов. В марте 1953 г. Fortune напечатал статью под заголовком «Год транзистора». «В транзисторе и новых электронных устройствах на твердом теле, – утверждалось в статье, – человек может надеяться найти мозг для управления мускулами ядерной энергии» [72].