Начало конкуренции

Летом 1946 г. Мочли и Экерт читали цикл лекций об электронных компьютерах в Высшем техническом училище. Среди слушателей оказался английский исследователь Морис Уилкс, которого особенно заинтересовал способ хранения программ в памяти, который предполагалось использовать в машине “Эдвак”. Вернувшись в Кембриджский университет, он в 1949 г. (на два года раньше, чем построили машину “Эдвак”) завершил сооружение первого в мире компьютера с программами, хранимыми в памяти. Компьютер получил название “Эдсак” (EDSAC, от Electronic Delay Storage Automatic Calculator—электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки).

Это первое успешное воплощение принципа хранения программы в памяти явилось завершающим этапом в серии изобретений, начатых в военное время. Теперь был открыт путь для широкого распространения все более быстродействующих компьютеров, способных мгновенно извлекать програмы из памяти и не только выполнять баллистические расчеты или расшифровывать коды, но и обрабатывать самую разнообразную информацию.

Эволюция интегральных схем

1 июля 1948 г., через два с половиной года после публичной демонстрации первого в мире большого цифрового компьютера “Эниак”, в самом конце газеты “Нью-Йорк таймс” была напечатана короткая заметка. В ней сообщалось об изобретении нового устройства, “электронного прибора, транзистора, который может найти применение в радиотехнике вместо обычных электронных вакуумных ламп”. Хотя позже транзистор был признан одним из важнейших изобретений века, в то время мало кто смог по достоинству оценить его. Заметка в “Нью-Йорк таймс” была помещена в самом конце малоприметного раздела “Новости радио” рядом с объявлением о времени трансляции передачи “В ритме вальса”.

В заметке ничего не говорилось о возможной связи между этим изобретением и компьютерами типа “Эниак”, статьи о которых помещались на первых полосах газет, ибо по-прежнему вызывали большой интерес, и все же благодаря транзистору—германиевому кристаллу величиной с булавочною головку, заключенному в металлический цилиндр длиной около сантиметра,—электроника вступила на путь миниатюризации, которая позволяла конструкторам разместить всю логическую систему “Эниака” на плате величиной в игральную карту.

Создание интегральной схемы

В июле 1958 г. сотрудник “Тексас инструментс” Джек Килби создал первую в мире интегральную схему (ИС). Она представляла собой тонкую германиевую пластинку длиной 1 см. Это устройство еще не отличалось особым изяществом. Пять компонентов схемы (транзисторов, резисторов и конденсаторов) были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском. Тем не менее схема работала. Фирма сообщила о рождении нового устройства в январе 1959 г. А чтобы продемонстрировать потенциальные возможности новой технологии, компания построила для ВВС США компьютер, состоявший из 587 ИС, объем которого составлял около 40 см³, т. е. в 150 раз меньше, чем у аналогичной машины старого образца.

Однако у нового устройства были существенные недостатки. И вскоре интегральные схемы Килби быстро вытеснила другая модель, технология изготовления которой оказалась проще.

ИС Херни Нойса были настолько практичнее схем Килби, что даже фирма “Тексас инструментс” приняла их на вооружение. В 1962 г. началось массовое производство ИС, вскоре прозванных “чипами”. В 60-е годы, по мере уменьшения в размере отдельных компонентов на кристалле количество их на одном чипе возрастало с головокружительной быстротой, примерно удваиваясь каждый год. Например, в 1964 г. на кристалле размером 7 см² умещалось 10 транзисторов и других компонентов, а к 1970 г. в кристалле того же размера содержалось уже не менее 100 элементов приблизитеьно при той же стоимости ИС.

Интегральные схемы значительно сократили размеры изделий, устранили необходимость трудоемкого процесса пайки соединений между компонентами, а уменьшение числа соединений способствовало повышению надежности приборов. Не менее существенно и то, что они стали работать быстрее. Электрическим импульсом, распространяющимся от одного переключателя к другому со скоростью, приблизительно равной половине скорости света, теперь приходилось преодолевать расстояния лишь в сотые доли сантиметра. Специалисты, работавшие над военными и космическими проектами, с воодушевлением приняли эти крошечные удивительные устройства и стали встраивать их в системы управления все более сложных ракет и космических аппаратов. Большая скорость действия новых ИС открыла также путь к разработке менее громоздких, более быстродействующих и мощных компьютеров для административно-управленческих и научных приложений.

Первая ИС для компьютерной памяти была разработана компанией “Интел” (Intel, integrated electronics—интегральная электроника). В 1968 г. фирма организовала предприятие в районе Пало-Альто. Через два года она изготовила первую ИС памяти, способную хранить целый килобит информации. (Килобит, или сокращенно К, равен 1024 битам, двоичным элементам информации, что эквивалентно приблизительно 25 пятибуквенным словам.)

Но в это время 34-летний инженер фирмы “Интел” Хофф работал над еще более замечательным проектом. Выпущенный в конце 1970 г. микропроцессор получил наименование 4004. Хотя он и не совсем точно соответствовал своему описанию, в котором фирма охарактеризовала его как “компьютер в одном кристалле”, но был недалек от этого. Он выполнял все функции центрального процессорного устройства универсального компьютера. И в сочетании еще с четырьма микросхемами—памяти, блока управления и интерфейса ввода и вывода—представлял собой микрокомпютер—машину, не уступавшую по мощности большим ЭВМ середины 50-х годов.

К 1981 г., спустя лишь десятилетие после изобретения Эдварда Хоффа, фирма “Хьюлетт-Паккард” уже смогла выпустить микропроцессор, превосходящий по мощности центральные процессоры многих больших ЭВМ того времени. Вся структура помещалась на кремниевом кристалле площадью порядка 1 см² и занимала меньше места, чем один транзистор времен, предшествующих изобретению интегральных схем.

Однако уже в 80-е годы ученые начали сталкиваться с проблемами, свидетельствующими, что миниатюризация не беспредельна. Одна из проблем—это всевозростающая сложность проектирования микросхемы. Несмотря на помощь компьютеров, которые способны моделировать возможные пути распространения электрических импульсов, для составления карты микропроцессора требуется год-полтора работы большой группы специалистов, тогда как на разработку первых микропроцессоров уходило несколько недель. И по мере того как размеры транзистора, постоянно уменьшаясь, приближаются чуть ли не к длине световой волны, гравировка поверхности кристаллов даже при самых современых методах, например с использованием лазеров, наталкивается на все большие трудности.

К тому же физики предостерегают: меньше—это не обязательно лучше. Самые крошечные транзисторы—иногда по размерам меньше бактерий—потребляют так мало энергии, что становятся уязвимыми для случайных микроспокических воздействий. Например, космические лучи, представляющие собой потоки элементарных частиц очень высоких энергий, которые непрерывно бомбардируют Землю, могут нарушить работу транзистора, вызвав его ошибочное переключение. К случайным переключениям могут привести даже такие процессы, как медленная диффузия атомов примеси в кремнии, а также микроскопические разрушения материала, обусловленные колебаниями температур.