|
|
|
сделать стартовой | добавить в избранное |
 |
|
С физикой — от счетов к современным компьютерам |
Гуашь "Классика", 12 цветов. 
Чашка "Неваляшка". 
Забавная пачка "5000 дублей". С физикой — от счетов к современным компьютерам Владимир Клиньшов Сегодня по физике лектор билеты давал к экзамену. Заходи ко мне — перепишешь — Это долго, ты лучше отсканируй и кинь мне на почту, а я у себя распечатаю. (из разговора студентов) Поистине, до чего дошел прогресс! Еще несколько лет назад подобные разговоры были редкостью, а сейчас — обычное дело. Вот, например, недавно принимал я лабораторные работы у третьекурсников, так они, вместо того чтобы теоретическую часть в отчете написать, просто отсканировали методичку! Того и гляди, начнут лекции вместо тетрадки на веб-камеру записывать! Сравнивая настоящее и совсем недавнее прошлое, понимаешь, насколько ошеломляющий скачок в развитии электронно-вычислительной техники совершился буквально у нас на глазах. Сегодня компьютер стал привычным и знакомым инструментом для миллионов людей, и, наверное, нет в современной жизни области, куда бы он не проник. В науке и промышленности широко используются мощнейшие суперкомпьютеры, мобильные компьютеры сопровождают своих владельцев в пути, а уж персональные компьютеры есть почти в каждом доме. А теперь вернемся мысленно в 50-е годы, время, когда академик С. А. Лебедев создавал первую отечественную ЭВМ. Трогательная и смешная картина предстанет перед нами: вся Академия наук СССР с огромным вниманием следит, как эта огромная машина часами решает задачи, на которые современным компьютерам нужны доли секунды! А в 30-е годы восхищение вызывали машины, которые просто умели выполнять арифметические действия. Сейчас эту возможность реализует обычный карманный калькулятор. Согласитесь — динамика просто поразительная! Но мы уже успели привыкнуть к приставкам «мега-» и «гига-» в характеристиках современных компьютеров, и они нас не удивляют. Любой школьник знает, как работать и развлекаться на «компе», некоторые даже умеют собирать и разбирать его, как конструктор. Но многие ли знают, как устроен компьютер, на каких физических принципах основана его работа? Думаю, нет. А между тем именно физика и физические открытия сделали возможным создание ЭВМ в том виде, в каком они существуют сейчас. Краткая история ЭВМ Рис. 1. История развития ЭВМ и важнейшие открытия электроники XX века По сути, вся история ЭВМ определяется серией замечательных физических открытий в области электроники. Строго говоря, вычислительные машины существовали и до XX века: это абак, счеты, логарифмические линейки, арифмометры, счетные машины Паскаля и Бэббиджа и некоторые другие. Всё это — механические устройства с очень ограниченными возможностями. История же собственно электронных вычислительных машин (рис. 1) начинается в двадцатом веке и связана с изобретением в 1906 году американским инженером Ли де Форестом вакуумного триода. На основе триодов были созданы ЭВМ так называемого первого поколения, начинающего свою историю в 40-е годы. Это поколение компьютеров-монстров, занимавших по своим размерам целые комнаты и потреблявших мощности, достаточные для работы небольшого завода. Однако, несмотря на такую громоздкость, производительность этих машин была весьма скромной.
Качественное изменение ЭВМ произошло после еще одного эпохального открытия физики — изобретения в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли полевого транзистора. Применение полупроводниковых транзисторов вместо вакуумных ламп (триодов) позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин второго поколения и повысить их быстродействие и надежность. Дальнейшее развитие компьютеров связано с использованием интегральных схем, впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом. Интегральная схема — это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещенных на одном кристалле полупроводника. Использование интегральных схем (компьютеры третьего поколения), больших и сверхбольших интегральных схем (четвертое поколение) привело к значительному упрощению процесса изготовления ЭВМ и увеличению их быстродействия. В 80-е годы началось изготовление персональных компьютеров, которые постепенно приобрели современный вид. Примерно тогда же появились первые мобильные компьютеры, или ноутбуки. Огромной производительности достигли многопроцессорные вычислительные комплексы — так называемые суперкомпьютеры. Почему же именно изобретение триода и транзистора определило весь путь развития компьютеров? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить об основных принципах работы компьютера. Сердце современного компьютера — это его центральный процессор, поэтому остановимся на нем. Основная функция процессора — обработка информации, т. е. выполнение различных операций над данными. А так как данные в современных ЭВМ представляются в двоичном виде, то и операции с ними производятся на основе двоичной логики, или так называемой булевой алгебры. Булева алгебра — основа работы компьютера Рис. 2. «Водопроводная модель» операций булевой алгебры Булева алгебра (названа в честь английского математика XIX века Джорджа Буля) рассматривает величины, принимающие только два значения — 0 или 1. Значение булевой величины можно представлять как ложность или истинность какого-либо утверждения (0 — ложь, 1 — истина). Поэтому с такими величинами можно производить различные операции — так же, как мы оперируем с утверждениями при рассуждениях. Основные операции — это И, ИЛИ, НЕ. Например: «я возьму зонт», если «пойдет дождь» И «за мной НЕ заедет друг на машине». Если обозначить через С утверждение «я возьму зонт», А — «пойдет дождь» и В — «за мной заедет друг», то С = А И (НЕ В). Выполнением подобных операций и занимается процессор компьютера. Выполнение логических операций можно проиллюстрировать на наглядной физической модели «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль — утверждение истинно, закрытый — ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь). На рис. 2 изображены системы труб, реализующие основные логические операции. Например, рассмотрим операцию И: С = А И В (рис. 2а). Вентили А и В установлены на трубе последовательно, поэтому вода из крана С течет, только если они оба открыты.
Если же установить вентили на две параллельные трубы, соединяющиеся в одну, то такая система будет выполнять операцию ИЛИ: если хотя бы один из вентилей А или В открыт, вода из крана С потечет, т. е. С = А ИЛИ В (рис. 2б). На рис. 2в представлена система, выполняющая операцию НЕ: если вентиль А закрыт, то вода протекает в кран В, если же он открыт, то вся вода стекает в «запасную» трубу, и через кран В не течет, т. е. В = НЕ А. Можно ли перенести те же системы из области гидродинамики в область электроники, то есть создать электронные логические схемы? Ясно, что для этого понадобятся устройства, подобные вентилям на трубах, которые в зависимости от установленного положения либо пропускают воду по трубе, либо нет. «Электронные вентили» должны обладать подобными свойствами, т. е. регулируемой проводимостью электрического тока. Оказывается, именно триод и транзистор могут выполнять функции вентиля в электрической схеме. Чтобы понять, как это возможно, надо разобраться в физических принципах работы триода и транзистора. Электровакуумный триод Рис. 3. Электровакуумный триод Конструктивно триод состоит из трех металлических электродов — катода, анода и сетки, помещенных в корпус с откачанным воздухом (рис. 3). Через дополнительную цепь катод нагревается электрическим током до высоких температур, так что с его поверхности начинается эмиссия электронов. Обычно электрический потенциал анода относительно катода положителен, а режим работы триода определяется потенциалом сетки. Когда на сетку подается положительный потенциал (меньший потенциала на аноде), электрическое поле разгоняет электроны в направлении сетки. Поверхность сетки делается не сплошной, а состоит из отдельных тонких проводов, образующих решетку. Из-за этого электроны почти не попадают на сетку, а пролетают сквозь нее на анод, создавая ток в анодной цепи (рис. 3а). Если же потенциал сетки отрицателен, электрическое поле препятствует движению электронов, возвращая их на катод, и ток в цепи не течет (рис. 3б). Таким образом, в электровакуумном триоде можно эффективно управлять током в цепи анода, меняя напряжение на сетке. Причем проводимость триода может меняться от полностью закрытого состояния до полностью открытого. Но ведь именно этими свойствами и должен обладать вентиль! И именно в качестве «электронных вентилей» использовались триоды в первых электронно-вычислительных машинах. Зная об устройстве электровакуумных ламп, можно понять, с чем связаны их недостатки. Во-первых, это большие размеры и сложность изготовления, обусловленные необходимостью размещения электродов в вакуумном корпусе. Во-вторых, инерционность приборов, которая вызвана большим временем пролета электронами расстояния от катода до анода. В-третьих, большая потребляемая мощность. Избежать всех этих недостатков позволяют полупроводниковые транзисторы, которые с момента своего изобретения стали активно вытеснять лампы. Рассмотрим устройство транзистора в том виде, в каком он был предложен впервые, — в виде биполярного транзистора. Полупроводниковый транзистор Рис. 4. Электронно-дырочный переход и транзистор Отличительным свойством полупроводниковых кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков.
Как-никак, больше тысячи страниц мелким шрифтом в твердой обложке, с умными на вид схемами и кучей таблиц. Замысел автора грандиозен в одной книге он обещает «дать целостную картину, позволяющую без страха перед неизвестным ориентироваться во всем многообразии технических новинок». Для этого он рассказывает об истории, настоящем и даже будущем каждого компонента современного компьютера, а также о разнообразии шин, интерфейсов и портов. Правда, история интересует автора заметно больше нынешнего положения дел, так что любезным его сердцу IBM PC XT, адаптерам CGA/EGA и проблеме преодоления 528-мегабайтного барьера емкости жестких дисков места выделено без счета, тогда как новые веяния нередко упоминаются вскользь. Лично я с господином Гуком не знаком, но могу предположить, что причина такого «уклона в старину» кроется в чрезмерном использовании открытых источников, не подкрепленном практическим опытом. Когда, например, он говорит старом «железе», сразу чувствуется неплохое знакомство с предметом, но как только дело доходит до более современных реинкарнаций тех же компонентов, начинают вылезать ошибочки
1. Подсистема памяти современных компьютеров
2. Физика и современная энергетика
3. Обзор современного компьютера
4. Современное поколение персональных компьютеров
5. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике
9. Концепции современной физики
10. Современная физика и восточный мистицизм
11. Применение современных достижений ядерной физики в животноводстве и ветеринарии
12. Проблемы современной физики
14. Физика звезд
15. Достижения современной селекции
16. О вопросе клонирования в современном естествознании
Подушка "Verossa" (заменитель лебяжьего пуха), 50х70 см. 
Сумка - термоконтейнер Lubby для бутылочки (твердая), 22,5 см. 17. Концепции современного естествознания
18. Современные средства поражения
19. Современная политическая карта мира - учебник 10 класса - Максаковский - 30 тестов
20. Модель экономического развития Южной Кореи на современном этапе
21. Физико-географический очерк Тульской области
25. Комплексный анализ современных ландшафтов и их эволюции на территории Катангского плато
26. Налоговая система РФ на современном этапе
27. Специальные внебюджетные фонды в современной России
28. Проблемы избирательного права современной России
29. Обязательства в Римском и современном гражданском праве
30. Возникновение (создание) юридического лица в современном гражданском праве
31. Современная Куба
32. Современная законодательная база Украины в области страхования
Швабра-вертушка "Торнадо Хенди". 
Ручка "Автомат", 12 штук, в коробке. 33. Реформа федеративных отношений в современной России
34. Местное самоуправление в России: история и современное правовое регулирование
35. Анализ современных моделей реформирования налоговой системы
36. Судебная реформа в Российском государстве на современном этапе
37. Римское право, его значение в истории правового развития человечества и в современной юриспруденции
41. Трудовой договор, его значение и особенности в современных экономических условиях
42. Финансовая политика России на современном этапе развития
43. Роль СМИ в современном мире (The mass media in the life of Society)
44. История компьютера и компьютерной техники
45. Словообразовательные модели неологизмов в современном английском языке
46. Местоимения и слова-заместители в современном английском языке
48. Структурно - семантические особеннности спортивной фразеологии современного английского языка
Настольная игра "Четыре времени года". 
Настольная игра "Чудовище Джио-Джанги". 
Аспиратор нозальный Pigeon с футляром. 49. Лексико-семантическое поле "женщина" в современном английском языке
50. Лексико-семантический анализ современных англоязычных рекламных слоганов
51. Культура поведения за столом. История и современность
52. Культура в современном её понимании
53. Национально-культурное развитие Исилькульского района на современном этапе
57. Нравственные проблемы общества в современной литературе (Русские люди в рассказах В.М. Шукшина)
59. Идеи и образы современной поэзии
60. Способы образования неологизмов в терминологии в современном французском языке
61. Фразеологизмы новозаветного происхождения в современном русском языке
63. Тема войны и нравственности в произведениях современных писателей
64. Г.Г. Маркес – поэт мифов, «Сто лет одиночества» – величайший миф современности
Точилка механическая, с механизмом автофиксации карандаша. 
Набор маркеров, металлик, 5 цветов. 
Лото пластиковое. Орнаменты. Комплект из трех игр. 66. Лексико-семантическое поле "женщина" в современном английском языке
67. Авторское музыкальное самодеятельное творчество: история и современность
68. Тенденции развития филармонического искусства в современной России
69. Краткое содержание книги И. Тэна "Происхождение современной Франции"
73. Происхождение, основные этапы развития и современные определения термина «библиография»
74. Русско-иранские отношения (век 20 и современность)
75. Компьютер для чайников. Компьютер для начинающих (краткие сведения)
76. Современные тенденции развития настольных издательских систем
77. Современные сетевые и информационные технологии
79. Компьютеры как средство общения людей
80. Семейство компьютеров PS/2
Автомобильный холодильник D-H24P "Delta", голубой, 24 л. 
Повязка-держатель для головы "Соня". 
Шторка антимоскитная "Цветок" с магнитными замками. 82. Что такое мультимедийный компьютер?
83. Внешние устройства персонального компьютера
84. История компьютера и компьютерной техники
85. Управление звуковой картой компьютера
90. Персональный компьютер, его состав и назначение
91. Основные устройства компьютера
92. Разработка АРМ на основе персонального компьютера для дома
93. Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера
94. Шум компьютера
95. Мышь, устройство и характеристики, разновидности современных манипуляторов
96. Современные системные платы
Корзина "Лягушонок", 45х45 см. 
Набор полотенец Whitex Mimicoco "Лошадки", цвет: черный, 2 штуки. 
Инвертор автомобильный Pitatel "KV-M120Smart.12" (12 В/220 В, модифицированный синус, 120 Вт). 98. Устройство дистанционного управления сопряженное с шиной компьютера IBM PC
99. Чего не может компьютер, или Труднорешаемые задачи
12 тонких фломастеров "Супертипс" ярких цветов. 
Шкатулка РТО, 35.5х25.5х20 см (арт. 3678-RT-60). 
