Компьютерра PDA N145 (12.11.2011-18.11.2011)

Удивительные трубки мира

Автор: Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 16 ноября 2011 года

Люди не часто интересуются историей создания тех вещей, которыми пользуются каждый день, поэтому интересные, а порой просто поразительные открытия по большей части растворяются в прошлом. Есть, конечно, знаменитые изобретения, которым суждено пережить века, но таких бриллиантов, кардинально меняющих ход человеческой истории, единицы. Масса же менее известных достижений двигает прогресс упорно и незаметно, подобно движению ледника.

Цифровая техника на базе интегральным микросхем стала обыденностью, и вдаваться в подробности принципов работы её основы - транзистора как-то даже не принято. А ведь когда-то этим словом даже называли радиоприёмники. Вначале транзистор был дискретный, потом микрометровых размеров, а сегодня его удалось ужать до десятков нанометров.

Шестьдесят-семьдесят лет назад ту же роль играли электронные лампы и электронно-лучевые трубки. Эти электровакуумные приборы были первопроходцами в таком безграничном ныне мире электроники.

И точно так же, как сегодняшние инженеры стараются как можно оптимальнее использовать всё большее число транзисторов, так и инженеры прошлого находили электровакуумным приборам самые неожиданные применения.

Середина сороковых годов прошлого столетия. Великобритания, получившая серьёзный урок Второй мировой войны, как никто другой заинтересована в создании собственной вычислительной техники. Убедившись в действенности автоматизации вычислений в ходе решения задач расшифровки фашистских кодограмм, британское правительство не жалеет средств на финансирование отечественных исследовательских лабораторий, решающих задачи разработки цифровых вычислителей.

Одним из центров британского компьютеростроения стал Манчестерский университет, кафедру электротехники в котором возглавлял Фредерик Вильямс. Неутомимый исследователь и страстный изобретатель, Вильямс начал свою карьеру в исследовательской лаборатории TRE, занимавшейся актуальнейшим в то время направлением - радиолокационными установками. В подмастерьях у Вильямса трудился молодой кембриджский математик Томас Килберн, немного поначалу смысливший в электротехнике, но компенсировавший это отличными навыками алгоритмизации вычислительных задач.

В 1945 году Вильямс был командирован в Новый свет для изучения опыта команды лучших учёных из Массачусетского технологического института, лаборатории Bell labs и военного исследовательского агентства DARPA, которые трудились над компьютерами, обеспечивающими вычисления в реальном времени для глобальной автоматизированной системы управления противовоздушной обороной SAGE (Semi-Automated Ground Environment). Уже тогда инженер Вильямс сумел увидеть проблему, которая не покидает и нынешние поколения компьютеров: "памяти много не бывает".

Разрабатывая варианты пэвэошных компьютеров, американские инженеры столкнулись с необходимостью разработки простой и в то же время эффективной памяти с произвольной выборкой данных.

И у электротехника Вильямса была идея, которая смогла их заинтересовать. Тремя годами ранее американской командировки Вильямс экспериментировал в лаборатории TRE с основой любой радиолокационной установки - электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).

Опытный исследователь, Вильямс подметил, что пучок электронов, испускаемый пушкой трубки, попав на люминофор экрана, порождает вторичную эмиссию электронов, благодаря которой на некоторое время точка на экране приобретает положительный заряд и создаёт послесвечение. Не бог весть какое открытие - вторичную эмиссию люминофора наблюдали многие. Но только Вильямсу пришла в голову мысль после формирования точки на экране сдвинуть луч в сторону, как бы рисуя тире. Вот тут-то появился неожиданный эффект. Электроны, порождённые вторичной эмиссией, в ходе рисования тире попадали под действие положительного заряда первоначальной точки и поглощались ею. В результате в месте формирования точки заряд поверхности люминофора становился нейтральным. Итак, рассуждал Вильямс, точка - положительный заряд, тире - нейтральный. Прямо азбука Морзе! Да нет же, подсказал Вильямсу его коллега и математик Килберн, не морзянка, а бинарная математика.

Именно тогда и родилась идея создания памяти на базе электронно-лучевой трубки. Прототип нового вида ОЗУ, наскоро собранный Вильямсом, не поражал воображение. Ёмкость - всего один бит. Зато эта запоминающая система обладала всеми необходимыми компонентами для интеграции в состав вычислительных машин.

Для считывания информации с экрана трубки на него крепились электроды, координаты которых совпадали с координатами электронных точек и тире. На поверхность люминофора вторично направлялся луч, который играл роль декодера. Вновь попав на точки и тире, он снова вызывал вторичную эмиссию, величина заряда которой и измерялась внешними электродами. В местах точек с положительным зарядом заряд удваивался, и в новом типе памяти он считался логически нулём. В местах тире с нейтральным зарядом вторичный заряд не удваивался, и это была логическая единица. Почему не наоборот? Спросите у англичан то же самое о левостороннем движении.

Единственным недостатком простого и элегантного способа хранения информации с помощью ЭЛТ было то, что считывающий луч безвозвратно удалял хранящуюся на экране информацию. Чтобы восстановить её, требовалась повторная регенерация состояния матрицы точек и тире. Прямо как в современной оперативной памяти на основе конденсаторных ячеек.

Вильямс, получив патент на изобретение и должность завкафедрой в Манчестерском университете, продолжил совершенствование своей "трубчатой" памяти, перетащив к себе для подмоги Килберна. К 1947 году им удалось увеличить ёмкость хранилища на базе одной трубки до 2048 битов, а также разработать схему каскадирования ЭЛТ в запоминающие массивы. Это была уже серьёзная заявка на коммерческое внедрение.

Работоспособный вариант трубки Вильямса-Килберна ёмкостью 2048 бит

Впервые запоминающие электронно-лучевые трубки Вильямся-Килберна были применены в британской экспериментальной вычислительной машине SSEM (Small Scale Experimental Machine), проектированием которой с воодушевлением занимался Килберн. Одноадресная SSEM, которую разработчики окрестили "Baby", имела в своем составе четыре запоминающие трубки, выполнявшие роли: оперативной памяти на тридцать два тридцатидвухразрядных слова, регистра аккумулятора, счётчика команд и собственно дисплея, на который выводился результат расчётов.

Для коммерческого использования своего изобретения Вильямс и Килберн научились объединять запоминающие трубки в множественные каскады.

Летом 1948 года, бешено заморгав запоминающими трубками, машина примерно за час успешно решила тестовую задачу, выполнив около двух миллионов операций. Новый вид памяти доказал свою дееспособность.

Первое боевое крещение трубки Вильяма-Килберна получили в первом варианте компьютера Whirlwind, трудившегося в составе комплекса вычислителей системы противовоздушной обороны SAGE. Оперативная память Whirlwind, созданная на запоминающих трубках, обеспечивала хранение всего 256 слов и явно не обеспечивала необходимую для процесса реального времени скорость чтения-записи. В последующих версиях Whirlwind обкатку проходили различные виды памяти, пока в середине пятидесятых разработчики не остановились на перспективных магнитных сердечниках.

В первой своей интерпретации Whirlwind использовал трубки Вильямса-Килберна

Модули запоминающих ЭЛТ в компьютере Whirlwind

Коммерческое использование памяти на базе трубок Вильямса-Килберна нельзя назвать очень активным. Наиболее известным её применением была вычислительная машина знаменитого манхэттенского проекта, имевшая соответствующее цели проектирования название MANIAC. Для главного вычислителя первой водородной бомбы были разработаны компактные модули памяти на запоминающих ЭЛТ, позволявшие наращивать ёмкость ОЗУ в зависимости от сложности решаемой задачи.

Максимально в MANIAC устанавливалось сорок трубок Вильямса-Килберна, суммарной ёмкостью 1024 сорокабитных слов.

Компьютер MANIAC со снятой передней панелью. Серебристые ящики наверху - модули запоминающих ЭЛТ

Пытались применить запоминающие ЭЛТ и в IBM. Компьютер IBM 701 - первый коммерческий компьютер компании - не пользовался популярностью именно благодаря неповоротливости и ненадёжной работе трубок Вильямса-Килберна. Среднее время безотказной работы IBM 701 составляло всего пятнадцать минут.

IBM 701

Память на запоминающих ЭЛТ имела недолгий век, как и множество подобных изобретений в эпоху активной эволюции компьютерной техники. Её довольно быстро и надолго сменила память на магнитных сердечниках. Между тем важнейшим результатом появления детища Вильямса-Килберна стала не сама память, а то, что на базе этой технологии можно изобрести нечто новое.

Заработав в оперативной памяти Вильямса-Килберна, электронно-лучевые трубки доказали свою состоятельность не только в качестве дисплея. В шестидесятые годы прошлого столетия советские инженеры решили применить их в роли сканера, размещённого на мчащемся во весь опор "лунном фотографе", - автоматической межпланетной станции "Луна-3".

Задача, которая возникла перед разработчиками "Луны-3", была далеко не тривиальной. Фотоаппаратура станции делала традиционные снимки на плёнку, а встроенная фотолаборатория обрабатывала эту плёнку. Но как доставить кадры на Землю? Не выстреливать же в безвоздушное пространство контейнер с фотокассетой!

Так родилась идея фототелевизионного передатчика, ключевым компонентом которого была электронно-лучевая трубка. Как и в случае запоминающих трубок Вильямса-Килберна, ЭЛТ в "Луне-3" применялась нестандартно. А именно как источник яркого точечного излучения - так называемого бегущего светового пятна.

Идея преобразования картинки на плёнке в электрические сигналы была проста и элегантна. Фактически она предвосхищала идею современных сканеров. Роль сканирующей поверхности в установке "Луны-3" выполняла электронно-лучевая трубка с повышенной яркостью свечения люминофора. Луч электронов формировал на его поверхности световое пятно, которое двигалось в соответствии с принципом строчной развёртки телеприёмников.

Бегущее по поверхности ЭЛТ световое пятно прочерчивало строку за строкой. При этом его свет фокусировался объективом на отснятый фотокадр. Попав на незасвеченную (прозрачную) поверхность кадра, свет пятна беспрепятственно попадал на фотодетектор. Засвеченные же участки свет не пропускали, что также фиксировалось фотодетектором. Таким образом, фотодетектор строка за строкой формировал электрические сигналы, соответствующие светлым и тёмным участкам кадра. Далее эти сигналы усиливались и передавались на Землю.

Приёмная станция фотоустановки, размещённая на Земле, работала синхронно и синфазно с передатчиком, в обратной последовательности формируя на экране ЭЛТ передаваемое изображение обратной стороны Луны.

Аппаратура фототелевизионного передатчика умела формировать максимальную развёртку кадра из тысячи строк, что позволяло сосканировать более сотни тысяч элементов на фотокадре. На Землю передавались изображения и с небольшим разрешением, поскольку уверенности в том, что огромное число сигналов с тысячестрочных сканов дойдут до земли без искажений, не было.

Вакуумные трубки на "Луне-3" работали не только источником светового пятна. Фотодетектор установки был также реализован на базе электронно-вакуумной трубки и назывался "фотоэлектронный умножитель".

Принцип его работы заключался в многократном усилении фотопотока, проходящего несколько усиливающих каскадов.

Схема многокаскадного фотоумножителя на базе вакуумной трубки

Свет попадал на фотокатод умножителя, выполненный в виде напыленного на колбу прибора активирующего слоя цезия, испускающего электроны под воздействием света. Чтобы электрическое поле возле фотокатода сильно не рассеивалось, на пути света в умножителе устанавливалась редкая проволочная сетка. Электроны, покинув фотокатод, попадали на несколько каскадов эмиттеров. Эмиттеры подключены к потенциометру таким образом, что величина их потенциала в каждом каскаде увеличивалась на одинаковое значение. Форма и материал эмиттеров были подобраны так, что каждый ударяющийся в них электрон выбивал пять новых электронов. Благодаря этому довольно слабый поток электронов из фотокатода, многократно бомбардируя эмиттеры каскадов, существенно усиливался и улавливался анодом умножителя, который и передавал электрический сигнал в усилитель.

Таким образом, вакуумные приборы на "Луне-3" обеспечили вполне качественную для того времени картинку обратной стороны нашей небесной соседки.

Нынешнему поколению пользователей цифровой техники электронные вакуумные приборы представляются чем-то громоздким, опасным и ненадёжным. Однако полвека назад альтернативы для них не существовало. Эволюция радио- и вычислительной техники продвигалась благодаря многочисленным триодам, пентодам и ЭЛТ. И пусть метеоритный дождь из транзисторов практически стёр с лица земли лампово-трубчатое племя, открытия, сделанные с помощью электронных вакуумных приборов, всегда останутся в копилке значимых достижений человечества.