От выключателя к транзистору: как электричество выполняет логику

Электрическая цепь умеет выполнять логические операции: замкнутый выключатель играет роль единицы, разомкнутый — нуля, а лампа показывает результат. Два выключателя друг за другом дают операцию И, два выключателя рядом — ИЛИ. А если выключателем управляет не палец, а другой электрический сигнал, из таких цепей можно собрать компьютер.

Цепь: батарейка, лампа, выключатель

В ночнике на батарейках три главные детали: батарейка, лампочка и выключатель. Ток идёт только по замкнутому кругу: от батарейки по проводу к лампочке и обратно. Выключатель либо соединяет этот круг, либо разрывает.

Договоримся: замкнутый выключатель — это 1, разомкнутый — 0. Лампа горит — 1, не горит — 0. Теперь цепь можно читать как логическое выражение из прошлого урока.

Друг за другом — операция И

Микроволновка греет, только когда дверца закрыта и нажата кнопка «Старт». Упрощённо в ней стоят два выключателя, соединённые последовательно, то есть друг за другом: один срабатывает от дверцы, другой — от кнопки. Путь у тока один, и он проходит через оба выключателя. Разомкнут хотя бы один — круг разорван.

Результат равен 1, только когда оба выключателя равны 1. Это операция И.

Рядом — операция ИЛИ

В автобусе несколько кнопок «Остановка по требованию». Нажмите любую — и у водителя загорится сигнал. В простейшем случае такие кнопки соединяют параллельно: у тока несколько путей, и каждый идёт через свою кнопку. Достаточно замкнуть один путь.

Результат равен 0, только когда отпущены все кнопки. Это операция ИЛИ.

Размыкающий контакт — операция НЕ

Обычная кнопка замыкает цепь, когда её нажимают. Бывают и кнопки наоборот: пока такую не трогают, цепь замкнута, а нажатие её разрывает. Такой контакт называют размыкающим.

Так устроен свет в холодильнике. Закрытая дверца давит на кнопку — цепь разорвана, лампа не горит. Дверцу открыли — кнопка отпущена, свет включился. Если A — «кнопка нажата», то лампа показывает НЕ A.

Реле: выключатель, который нажимает ток

Все три операции у нас есть, но выключатели пока нажимает человек. Лампа загорелась — и на этом всё: нажать следующий выключатель она не может. Чтобы результат одной цепи стал входом другой, нужен выключатель, которым управляет электричество.

Такой выключатель называют реле. В нём есть катушка — провод, намотанный на железный стержень. Пока по катушке идёт ток, она работает как магнит и притягивает железную пластинку, якорь. Якорь замыкает контакт во второй, отдельной цепи. Ток в катушке пропал — пружина возвращает якорь на место, и контакт размыкается.

Реле придумали в 1830-х годах для телеграфа. Но для логики важнее другое: вместо лампы во вторую цепь можно включить катушку следующего реле. Выход одной схемы становится входом другой, и схемы соединяются в цепочки любой длины. Контакты двух реле, соединённые последовательно, дают И, параллельно — ИЛИ, а реле с размыкающим контактом — НЕ.

В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе показал вычислительную машину Z3, собранную примерно из 2600 телефонных реле.

Лампы, транзисторы, микросхемы

В реле движется железная пластинка. Она щёлкает, изнашивается и не может переключаться быстрее, чем успевает сдвинуться. Инженеры искали выключатель без движущихся частей и перепробовали три вида деталей.

• Электронная лампа. В стеклянном баллоне током управляет электрический сигнал, а не пластинка. Лампы переключались гораздо быстрее реле, но грелись, занимали много места и перегорали. В американской машине ЭНИАК, достроенной в 1945 году, их было 17 468.
• Транзистор. В декабре 1947 года в американской лаборатории Bell Labs Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали транзистор: в нём током управляет кристалл полупроводника. Ему не нужны ни стеклянный баллон, ни раскалённая нить. В 1956 году все трое получили за это Нобелевскую премию по физике.
• Интегральная схема. В 1958–1959 годах Джек Килби из компании Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor придумали, как изготовить транзисторы вместе с соединениями на одном кристалле. Так появились микросхемы, и транзисторы начали стремительно уменьшаться.

За полвека число транзисторов в процессоре выросло почти в семь миллионов раз. И все они помещаются на кристалле размером примерно с ноготь.

Транзистор — выключатель с тремя выводами

Для логики транзистор — то же реле, только без движущихся частей. У него три вывода. В транзисторах, из которых делают процессоры, их называют исток, сток и затвор. Исток и сток — это два конца выключателя, а затвор — его «кнопка». Подали на затвор напряжение — ток между истоком и стоком идёт. Сняли — путь закрыт.

Затвор можно подключить к выходу другого транзистора. Идея та же, что и у реле: одни выключатели управляют другими.

Частые вопросы

Как не перепутать последовательное и параллельное соединение?

Проследите путь тока. Если путь один и идёт через все выключатели по очереди, нужны все — это И. Если путей несколько, хватит любого — это ИЛИ.

Реле ещё используют?

Да — там, где слабый сигнал должен включить что-то мощное. В автомобиле небольшая кнопка через реле запускает стартер. А вот вычислительные машины на реле давно не строят.

Транзистор — это и есть бит?

Нет. Сам транзистор ничего не помнит: убрали сигнал с затвора — он закрылся. Чтобы хранить бит, из транзисторов собирают особую схему — триггер.

Коротко

• Замкнутый выключатель — 1, разомкнутый — 0; лампа показывает результат.
• Последовательное соединение выключателей выполняет И, параллельное — ИЛИ, размыкающий контакт — НЕ.
• Реле — выключатель, которым управляет ток; с ним выход одной схемы становится входом другой.
• Реле сменили электронные лампы, затем транзисторы (1947) и интегральные схемы (1958–1959).
• Транзистор — выключатель с тремя выводами без движущихся частей; в современном процессоре их миллиарды.

Собирать каждую операцию из отдельных транзисторов заново неудобно. Инженеры пользуются готовыми блоками — о них урок Логические вентили.