Первые электромеханические цифровые компьютеры

В каких годах были востребованы компьютеры на электронных лампах

+7 (499) 444-90-36 Отдел заботы о пользователях

Москва, Ленинский проспект, дом 6, строение 20

• Участник Skolkovo
• Премии Рунета 2018, 2019, 2020

Пользуясь нашим сайтом, вы соглашаетесь с тем, что мы используем cookies ?

Первые электромеханические цифровые компьютеры

В 1936 году молодой немецкий инженер-энтузиаст Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Ввод команд и данных осуществлялся при помощи клавиатуры, а вывод, — с помощью маленькой панели на лампочках. Память вычислителя организовывалась при помощи конденсатора.

В 1939 году, Цузе создал второй вычислитель — Z2. Z2 работала на реле. Следующая машина Цузе — Z3, была завершена в 1941 году

Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную сделала машины Цузе более простыми, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу. Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 являетсяуниверсальным компьютером В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти, что и данные — предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году в британском EDSAC.

В сентябре 1950 года Z4 был, наконец, закончен и поставлен в ETH Zьrich. В то время он был единственным работающим компьютером в континентальной Европе и первым компьютером в мире, который был продан. В этом Z4 на пять месяцев опередил Марк I и на десять — UNIVAC. Компьютер эксплуатировался в ETH Zьrich до 1955 года, после чего был передан во Французский аэродинамический научно-исследовательский институт недалеко от Базеля, где работал до 1960 года. Наиболее известны машины Z11, продававшийся предприятиям оптической промышленности и университетам, и Z22 — первый компьютер с памятью на магнитных носителях.

В 1939 году Джон Атанасов и Клиффорд Берри из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использующей электронные лампы в сумматоре. Соизобретатель ENIAC Джон Мокли изучал ABC в июне 1941 года, и между историками существуют споры о степени его влияния на разработку машин, последовавших за ENIAC.

В 1939 году в Endicott laboratories в IBM началась работа над Harvard Mark I. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения, созданного с финансированием IBM и при помощи со стороны персонала IBM, под руководством гарвардского математика Говарда Айкена. Проект компьютера был создан под влиянием Аналитической машины Ч. Бэббиджа, с использованием десятичной арифметики, колёс для хранения данных и поворотных переключателей в дополнение к электромагнитным реле. Машина программировалась с помощью перфоленты, и имела несколько вычислительных блоков, работающих параллельно.

Мощность компьютера ENIAC

По мощности он был слабее даже современных калькуляторов. Но для тех времен его способности были поразительными. До его создания люди проводили манипуляции с числами самостоятельно и на это уходило много времени. Но компьютер ENIAC мог выполнять по 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Как можно понять, конструкция была очень сложной, поэтому компьютер часто давал сбои. Сначала они возникали два раза в день, но потом разработчики установили более надежные комплектующие и количество сбоев сократилось до одного раза в два дня.

Процесс программирования компьютера ENIAC

В компьютер ENIAC было невозможно устанавливать программы, как на нынешние ноутбуки и другие устройства. Поэтому для выполнения разных задач его приходилось настраивать заново. Для этого операторам приходилось тянуть провода к разным разъемам, крутить регуляторы и выполнять много других действий. В те времена этой работе даже не было официального названия. Но, по сути, операторы ENIAC были первыми в истории программистами. На программирование уходили недели, а на отладку — целые недели.

Настоящие видео с компьютером ENIAC

Некоторое время существование компьютера ENIAC держалось в секрете. Впервые о нем написали в газетах 15 февраля 1946 года. Так уж получилось, что устройство не использовалось долго. В 1955 году проект ENIAC был закрыт, потому что в мире появились компьютеры мощнее. Важно отметить, что более мощные компьютеры существовали и в момент создания ENIAC, просто факт их существования тщательно скрывался. Герой этой статьи считается первым современным компьютером потому, что его можно было настраивать на решение разных задач.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!

Ушедший XX век был удивительным временем, когда наука и технологии делали большие прорывы. Именно в это время начали появляться первые автомобили, самолеты, компьютеры и даже роботы. На нашем сайте есть довольно большая статья о самые первых роботах в истории человечества. Конечно, люди пытались создать похожие на человека устройства даже во времена Леонардо Да Винчи, но по-настоящему интересные роботы появились именно в прошлом столетии. О том, какими они были, можно узнать по этой ссылке.

Электронные лампы — история, принцип действия, конструкция, применение

Электронная лампа (радиолампа) — техническое нововведение начала XX в., которое коренным образом изменило методы использования электромагнитных волн, определило становление и быстрый расцвет радиотехники. Появление радиолампы стало также важным этапом того направления развития и применения радиотехнических знаний, которое позже получило название «электроника».

История открытия

Открытие механизма работы всех ваккумных электронных приборов (теромоэлектронной эмиссии) совершил Томас Эдисон в 1883 году во время работы над усовершенствованием своей лампы накаливания. Подробнее об эффекте термоэлектронной эмиссии смотрите здесь — Электрический ток в вакууме.

В 1905-м году используя это открытие Джон Флеминг создал первую электронную лампу — «прибор для преобразования переменного тока в постоянный». Эту дату считают началом рождения всей электроники (смотрите — В чем различия электроники и электротехники). Золотой эрой всей ламповой схемотехники считают период с 1935 по 1950 год.

Патент Джона Флеминга

Электронные лампы сыграли в развитии радиотехники и электроники очень важную роль. При помощи электронной лампы оказалось возможным генерировать незатухающие колебания, необходимые для радиотелефонии и телевидения. Появилась возможность усиливать принимаемые радиосигналы, благодаря чему стал доступен прием весьма отдаленных станций.

Далее, электронная лампа оказалась наиболее совершенным и надежным модулятором, т. е. прибором для изменения с низкой частотой амплитуды или фазы высокочастотных колебаний, что необходимо для радиотелефонии и телевидения.

Выделение колебаний звуковой частоты в приемнике (детектирование) также наиболее успешно осуществляется при помощи электронной лампы. Работа электронной лампы в качестве выпрямителя переменного напряжения долгое время обеспечивало питание радиопередающих и радиоприемных устройств. Кроме всего этого, электронные лампы широко применялись в электроизмерительной технике (вольтметры, частотомеры, осциллографы и др.), а также на них были построены первые компьютеры.

Появление во втором десятилетии XX века серийных технически пригодных электронных ламп дало радиотехнике мощный толчок, преобразивший всю радиотехническую аппаратуру и позволивший решить ряд задач, недоступных для радиотехники затухающих колебаний.

Патент на вакуумную лампу 1928 года

Реклама ламп в радиотехническом журнале 1938 года

Недостатки электронных ламп: большие размеры, громоздкость, низкая надежность устройств прстроеных на большом количестве ламп (в первых компьтерах использовались тысячи ламп), необходимость в дополнительной энергии для нагрева катода, большое выделение тепла, часто требующее дополнительного охлаждения.

Принцип работы и устройство электронных ламп

В электронной лампе используется процесс термоэлектронной эмиссии — испускания электронов накаленным металлом, находящимся в эвакуированном баллоне. Давление остатков газа настолько ничтожно, что разряд в лампе практически можно считать чисто электронным, так как ток положительных ионов исчезающе мал по сравнению с электронным током.

Устройство и принцип работы электронной лампы рассмотрим на примере электронного выпрямителя (кенотрона). Эти выпрямители, использующие электронный ток в вакууме, обладают наиболее высоким коэффициентом выпрямления.

Кенотрон состоит из стеклянного или металлического баллона, в котором создан высокий вакуум (порядка 10 -6 мм рт. ст.). Внутри баллона помещается источник электронов (нить), служащий катодом и накаливаемый током от вспомогательного источника: он окружен электродом большой площади (цилиндрическим или плоским), являющимся анодом.

Электроны, испускаемые катодом, попадая в поле между анодом и катодом, увлекаются к аноду, если его потенциал выше. Если же потенциал катода выше, то кенотрон тока не пропускает. Вольт-амперная характеристика кенотрона практически идеальна.

Высоковольтные кенотроны применялись в схемах питания радиопередатчиков. В лабораторной и радиолюбительской практике были широко распространены небольшие кенотронные выпрямители, позволяющие получить 50 — 150 мА выпрямленного тока при 250 — 500 В. Для накала нитей применялся переменный ток, снимаемый со вспомогательной обмотки трансформатора, питающего аноды.

Для упрощения монтажа выпрямителей (обычно двухполупериодных) использовались двуханодные кенотроны, содержащие в общем баллоне два раздельных анода при общем катоде. Сравнительно небольшая межэлектродная емкость кенотрона подходящей конструкции (в этом случае его называли диодом) и нелинейность его характеристики позволяли использовать его для различных радиотехнических нужд: детектирования, автоматических регулировок режима приемника и других целей.

В электронных лампах применялись две конструкции катодов. Катоды непосредственного (прямого) накала выполняются в виде нити или ленты, накаливаемой током от аккумулятора или трансформатора. Катоды косвенного накала (подогревные) устроены сложнее.

Вольфрамовая нить накала — нагреватель изолируется теплоустойчивым слоем керамики или окислов алюминия и помещается внутрь никелевого цилиндрика, покрытого снаружи оксидным слоем. Цилиндрик нагревается благодаря теплообмену с нагревателем.

Благодаря тепловой инерции цилиндра температура его, даже при питании переменным током, практически постоянна. Оксидный слой, дающий заметную эмиссию при низких температурах, является катодом.

Недостатком оксидного катода является неустойчивость его работы при недокале или перекале. Последний может получиться при слишком большом анодном токе (вблизи насыщения), так как из-за большого сопротивления катод при этом перегревается, оксидный слой теряет эмиссию и может даже разрушиться.

Большим преимуществом подогревного катода является отсутствие падения напряжения вдоль него (обусловленного током накала при прямом накале) и возможность питать нагреватели нескольких ламп от общего источника при полной независимости потенциалов их катодов.

Своеобразные формы нагревателей связаны со стремлением уменьшить вредное магнитное поле тока накала, создающее «фон» в громкоговорителе радиоприемника при питании нагревателя переменным током.

Обложка журнала «Radio-Craft» 1934 года

Двухэлектродные лампы

Двухэлектродные лампы применялись для выпрямления переменного тока (кенотроны). Подобные же лампы, применяемые при радиочастотах для детектирования, назывались диодами.

Трехэлектродные лампы

Через год после появления технически пригодной двухэлектродной лампы в нее был введен третий электрод — сетка, выполненный в виде спирали, расположенной между катодом и анодом. Получившаяся таким образом трехэлектродная лампа (триод) приобрела ряд новых ценных свойств и получила широкое применение. Такая лампа уже могла работать в качестве усилителя. В 1913-м году с ее помощью был создан первый автогенератор.

Изобретатель триода Ли де Форест (добавил в электронную лампу управляющую сетку)

Триод Ли де Фореста, 1906 год

В диоде анодный ток является функцией только анодного напряжения. В триоде же напряжение на сетке также управляет анодным током. В радиосхемах триоды (и многоэлектродные лампы) обычно использовались при переменном сеточном напряжении, называемом «управляющим напряжением».

Многоэлектродные лампы

Многоэлектродные лампы были созданы для того что бы повысить коэффициент усиления и уменьшить входную емкость лампы. Дополнительная сетка как бы экранирует анод от прочих электродов, поэтому ее называют экранирующей (экранной) сеткой. Емкость между анодом и управляющей сеткой в экранированных лампах снижается до сотых долей пикофарады.

У экранированной лампы изменения анодного напряжения сказываются на анодном токе гораздо меньше, чем у триода, следовательно, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление лампы резко возрастает, крутизна же отличается от крутизны триода сравнительно мало.

Но работа экранированной лампы осложняется так называемым динатронным эффектом: при достаточно больших скоростях электроны, достигающие анода, вызывают вторичную эмиссию электронов с его поверхности.

Для его устранения между экранирующей сеткой и анодом вводится еще одна сетка, называемая защитной (противодинатронной). Она соединяется с катодом (иногда внутри лампы). Находясь под нулевым потенциалом, эта сетка тормозит вторичные электроны, не оказывая существенного влияния на движение основного электронного потока. Благодаря этому провал в характеристике анодного тока устраняется.

Подобные пятиэлектродные лампы — пентоды — получили широкое распространение, так как в зависимости от конструкции и режима работы им могут быть приданы разнообразные свойства.

Старинная реклама пентода фирмы Philips

Высокочастотные пентоды имеют внутреннее сопротивление порядка мегома, крутизну — до нескольких миллиампер на вольт, коэффициент усиления — до нескольких тысяч. Для низкочастотных выходных пентодов характерно значительно меньшее внутреннее сопротивление (десятки килоом) при крутизне того же порядка.

В так называемых лучевых лампах динатронный эффект устраняется не третьей сеткой, а концентрацией электронного пучка между второй сеткой и анодом. Она достигается симметричным расположением витков обеих сеток и удалением от них анода.

Из сеток электроны выходят концентрированными «плоскими лучами». Расхождение лучей дополнительно ограничивается защитными пластинами, имеющими нулевой потенциал. Концентрированный электронный луч создает у анода пространственный заряд. Вблизи анода образуется минимум потенциала, достаточный для торможения вторичных электронов.

В некоторых лампах управляющая сетка выполнена в виде спирали с переменным шагом. Так как густота сетки определяет коэффициент усиления и крутизну характеристики, то в этой лампе крутизна оказывается переменной.

При слабо отрицательных потенциалах сетки работает вся сетка, крутизна получается значительной. Но если потенциал сетки сделать сильно отрицательным, то густая часть сетки практически не будут пропускать электроны и работа лампы будет определяться свойствами редко намотанной части спирали, поэтому коэффициент усиления и крутизна значительно снижаются.

Для преобразования частоты служат пятисеточные лампы пентагриды. Две из сеток являются управляющими — на них подаются напряжения различной частоты, три другие сетки выполняют вспомогательные функции.

Реклама электронных вакуумных ламп в журнале 1947 года

Оформление и маркировка ламп

Существовало громадное количество различных типов электронных ламп. Наряду с лампами, имеющими стеклянный баллон были широко распространены лампы с металлическим или металлизированным стеклянным баллоном. Он экранирует лампу от внешних полей и увеличивает ее механическую прочность.

Электроды (или большая часть их) выводятся к штырькам цоколя лампы. Наиболее распространен восьмиштырьковый цоколь.

Малогабаритные лампы «пальчикового» типа, типа «желудь» и миниатюрные с диаметром баллона 4 — 10 мм (вместо обычного диаметра 40 — 60 мм) цоколя не имеют: выводы электродов делаются через основание баллона — это снижает емкость между вводами. Малые по размеру электроды также имеют небольшую емкость, поэтому такие лампы могут работать при более высоких частотах, чем обычные: до частот порядка 500 мггц.

Для работы на более высоких частотах (до 5000 мггц) использовали «маячковые» лампы. Они отличаются конструкцией анода и сетки. Дискообразная сетка расположена у плоского основания цилиндра, впаянного в стекло (анода) на расстоянии десятых долей миллиметра. В мощных лампах баллоны делали из специальной керамики (металлокерамические лампы). Имеются и другие лампы для очень высоких частот.

В электронных лампах на очень большие мощности, приходилось увеличивать площадь анода и даже прибегать к принудительному воздушному или водяному охлаждению.

Маркировка и цоколевка ламп очень разнообразна. Кроме того, системы маркировки несколько раз изменялись. В СССР было принято обозначение из четырех элементов:

1. Число, указывающее напряжение накала, округленное до целых вольт (наиболее распространены напряжения 1,2; 2,0 и 6,3 В).

2. Буква, указывающая тип лампы. Так, диоды обозначаются буквой Д, триоды С, пентоды с короткой характеристикой Ж, с длинной К, выходные пентоды П, двойные триоды Н, кенотроны Ц.

3. Число указывающее порядковый номер заводской разработки.

4. Буква, характеризующая оформление лампы. Так металлические лампы теперь совсем не имеют последнего обозначения, стеклянные обозначаются буквой С, пальчиковые П, желуди Ж, миниатюрные Б.

Подробные данные о маркировке, цоколевке и размерах ламп лучше всего искать в специализированной литературе 40-х — 60-х годов XX века.

Использование ламп в наше время

В 70-х годах все электронные лампы были вытеснены полупроводниковыми приборами: диодами, транзисторами, тиристорами и др. В некоторых областях вакуумные лампы применяются до сих пор, например в микроволновых печах используются магнетроны, а кенотроны используются выпрямления и быстрой коммутации большого напряжения (десятки и сотни киловольт) на электрических подстанциях для передачи электроэнергии постоянным током.

Существует большое количество любителей, т.н. «лампового звука», которые в наше время конструируют любительские звуковые устройства на электронных вакуумных лампах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Логарифмическая счетная линейка 6

Математики Уильям Отред и Ричард Деламейн разрабатывают логарифмическую счетную линейку, способную производить самые разные вычислительные операции: сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, вычисление корней квадрата и куба, вычисление логарифма, тригонометрические и гиперболический вычисления. Не правда ли, здорово?

Где и когда продали первый персональный компьютер?

Концепция персонального компьютера мало изменилась в течении следующих двух десятилетий. Внедрение микропроцессора ускорило процесс создания компьютера. Компания IBM еще в 1974 году пыталась создать свой первый компьютер, но попытка не удалась и продажи были очень низкими. IBM5100 — имел кассеты в качестве носителей информации, довольно маленький вес и серьезную стоимость в 10 000 $.

Также он уже мог самостоятельно исполнять программы, написанные на таких языках программирования, как BASIC и APL (его создали в IBM). Монитор отображал 16 линий по 64 знака, память около 64 Кб, причем эти кассеты были похожи на аудио стерео-кассеты. Но продажи так и не пошли, потому, что не было предусмотрено нормального интерфейса и цена была завышенной.

А вы задавались вопросом — какими будут компьютеры через 10 лет?

Недавно компания IBM представила свой новый мега-компьютер «Roadrunner». Его мощность 1 000 000 000 000 (1 квадриллион) операций. Создан он для министерства энергетики США, и состоит из 6480 2-х ядерных процессоров, и 12 960 процессоров от IBM, которые называются Cell 8i. В него входит 278 огромных шкафов, 88 километров кабелей, вес — 226 тонн, занимает площадь в 1100 м², потребляемая мощность 3,9 МВт, а стоимость составила 133 000 000$.

Как видно из вышеперечисленного (детальнее с «Roadrunner» можете ознакомиться тут) — размеры компьютеров с тех пор особенно не изменились 🙂