5.6. Роль электроники в развитии науки и техники XX в.

В 1904 г. английский электротехник Дж. Флеминг изобретает двухэлектродную электронную «осцилляторную» лампу — диод, получившую применение как детектор электрических колебаний. Американский инженер и изобретатель Ли Форестом (1873-1961) в 1907 г. добавил в эту лампу третий электрод (сетку), посредством которого стало возможным управлять анодным током. Так была создана первая усилительная трехэлектродная лампа (триод), положившая начало истории собственно электронной техники. Этот электровакуумный прибор имел коэффициент усиления напряжения, близкий к единице. Массовое примене­ние электронных ламп различных конструкций в радиоустановках и электронных приборах началось в 1914-1918 гг. К концу 30-х годов развитие электроники сделало возможным усиление сигнала в десятки тысяч раз. Действие электровакуумных приборов — электронных ламп, электронно­лучевых трубок, фотоэлементов и рентгеновских трубок — основано на движении потоков электронов в вакууме. В ионных вакуумных приборах — выпрямителях тока, стабилизаторах и делителях напряжения, реле, разрядниках и др. — используется движение ионов в газах или парах. В ионных источниках света (газосветные, кварцевые, неоновые и люминесцентные лампы) газы или пары светятся при прохождении через них электрического тока.

В 1931 г. эмигрировавший из России в США русский инженер В.К. Зворыкин (1888-1982) изобретает электронный вакуумный прибор для преобразования светового сигнала в электрический (иконоскоп), положив тем самым начало истории современного телевидения. Он первым применил управляемые электронные потоки для наблюдения микрообъектов. Изобретенный им электронный микроскоп имел разрешающую способность на несколько порядков выше, чем у оптических приборов. Ему же принадлежат ряд других важнейших изобретений в области электроники (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, ряд электронных медицинских приборов). В середине 30-х годов начались регулярные телепередачи с получением электронного изображения в приемнике — электровакуумном приборе кинескопе.К концу 30-х годов на основе электроники зарождается фототелеграфная техника, начинается широкая автоматизация телефонных сетей и радиотелефонных междугородных систем связи, создается буквопечатающая аппаратура для радиосвязи. В это же время происходит техническое освоение электромагнитных волн ультракороткого и дециметрового диапазонов в радиопередающих и радиоприемных устройствах, создаются принципиально новые и совершенствуются традиционные электронные вакуумные приборы, названные из-за характерной стеклянной колбы радиолампами.

В 1933-1934 гг. в Англии, США и СССР начались первые опыты по обнаружению объектов и измерению расстояний до них с помощью из­лучения электромагнитных волн. В 1938 г. уже были созданы первые практически работающие радиолокационные станции (РЛС). Развитию радиолокационной техники сильно способствовало ее военное применение. В годы Второй мировой войны на вооружение частей, кораблей и самолетов поступили РЛС для обнаружения противника и управления артиллерийским огнем по невидимым целям, радиолокационные авиаприцелы и высотомеры, самолетные станции кругового обзора и морские РЛС дальнего обнаружения. Новым направлением в развитии электронных приборов стала гидроакустическая ультразвуковая техника, применявшаяся для измерения глубины моря, обнаружения надводных и подводных объектов, а впоследствии — и для промыслового рыболовства.

К концу 30-х годов электронные лампы заняли монопольное положение в электронной аппаратуре. В 1939 г. появляется клистрон — генераторная пролетная сверхвысокочастотная (СВЧ) лампа, использующая инерцию электронов. В 1940 г. изобретен новый генераторный прибор — магнетрон — генератор колебаний СВЧ. К началу 40-х годов созданы генераторные электронные приборы с единичной мощностью в сотни киловатт, что сильно способствовало развитию мирового радиовещания и радиолокации. Для быстрой обработки данных, получаемых с помощью РЛС, и автоматического введения соответствующих поправок на скорость цели в 1942-1943 гг. были сконструированы счетно-решающие приборы управления торпедной и артиллерийской стрельбой. Сначала они были механическими и электромеханическими. Но в середине 40-х годов были изобретены более эффективные быстродействующие электронные вычислительные устройства, использующие радиолампы.

В 1943 г. в США была построена электрическая вычислительная машина «Марк-1» — прямой предок современных компьютеров. Главными элементами ее вычислителя (процессора) и памяти были электрические контактные реле. Если на обмотку реле подавалось напряжение, контакты замыкались, и наоборот. Из комбинаций состояний контактов «да-нет» составлялось «слово», из комбинаций «слов» — команды: подать сигнал, включить или выключить двигатель, уменьшить или увеличить скорость его вращения, заставить согласованно работать несколько машин и т.д. Машина «Марк-1» могла и вычислять, хотя по современным меркам чрезвычайно медленно. В 1943 г. начались работы над ЭВМ — вычислительными машинами на базе электронных приборов. Первой ЭВМ стала машина с названием «Электронный цифровой интегратор и вычислитель» (ЭНИАК). Она состояла из 18 тысяч электронных вакуумных ламп, постоянно выходила из строя, потребляла энергии столько же, сколько небольшой завод, весила 30 т и занимала целый спортивный зал. Но зато действовала гораздо быстрее электромеханических компьютеров.

В 1946 г. американский математик и физик Д. фон Нейман обосновал перспективы создания новых ЭВМ, использующих двоичную системы счисления (идея, ранее предложенная Н. Винером), а также ввод и хранение программы в памяти. Построенная под его руководством ЭВМ ЭДВАК имела быстродействие в четыре с лишним раза больше, чем ЭНИАК. В СССР первая отечественная ЭВМ была создана в 1947-1951 гг. в Киеве под руководством С.А. Лебедева (1902-1974). Серийное производство ЭВМ в США началось в 1951 г., а в СССР (БЭСМ-1, «Стрела», М-2) — в 1952-1953 гг. Если в 1952-1953 гг. число электронных машин исчислялось десятками, то в 1965 г. в мире использовалось уже около 40 тыс. ЭВМ, а в 1970 г. — более 100 тыс.

По типу основных электронных элементов, применяемых в ЭВМ, последние различаются по «поколениям». В ЭВМ первого поколения (приблизительно 1950-1958 гг.) использовались электронные лампы, отдельные радиодетали и провода (навесной монтаж). Запоминающие устройства строились на основе электронных ламп, электронно-лучевых трубок или магнитных барабанов и лент. Ко второму поколению относят ЭВМ на полупроводниковых транзисторах с применением печатного монтажа (примерно 1959-1967 гг.). Здесь были применены новые принципы организации работы машин (мультипрограммирование и др.)> существенно повысившие их быстродействие. Выпуск третьего поколения ЭВМ (американских IBM 360\370, советских серии ЕС), построенных на интегральных схемах, был начат в середине 60-х годов.

Одновременно с поиском новых технических решений, а иногда и задолго до этого шла целенаправленная разработка теоретических вопросов электроники. Дальнейшее развитие теории электромагнитного поля (электродинамики), теории распространения радиоволн и сигналов по проводам и волноводам, теории цепей и фильтров, антенно-фидерной техники, физики твердого тела и других областей науки было важнейшим условием научно-технического прогресса электронной техники. Связь между научными исследованиями, лабораторными экспериментами, конструированием и испытаниями новых наукоемких технических средств оказалась настолько тесной, что в обиход вошел новый термин: научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).

НИОКР в области военной электроники в годы войны способствовали быстрому развитию электронной аппаратуры гражданского применения в послевоенное время. Развернулось массовое производство разнообразной радиоаппаратуры, магнитофонов, телевизионной техники бытового назначения. Общей тенденцией технологии было стремление к миниатюризации, снижению трудоемкости производства и повышению надежности электронных устройств.

Наиболее значительным достижением того времени была замена проводов, соединяющих компоненты технических устройств, печатным монтажом. Развитие этой технологии привело к созданию печатных плат, облегчивших автоматизацию сборки аппаратуры. В результате все более тесного взаимодействия радиотехники и электронной техники — еще недавно относительно самостоятельных областей научных знаний и техники — в середине 50-х годов сформировалась комплексная отрасль — радиоэлектроника, использующая единую техническую базу — электронные элементы приборов и систем. Этому способствовало изобретение и быстрое развитие нового класса электронных устройств — твердотельных полупроводниковых приборов. ([43], с.190)

Начало победному шествию полупроводников, вытеснивших во второй половине XX в. вакуумные приборы из большинства электронных систем и отдельных устройств, положило изобретение Дж. Бардиным, У. Шокли и У.Брайтеном полевого транзистора. Первые работающие транзисторы были построены ими в 1947 г. Транзисторы потребляют значительно меньше энергии, чем вакуумные лампы, компактны, более надежны и обеспечивают в сотни тысяч раз большую скорость операций. С 50-х годов они получили широкое распространение. Открыватели транзисторного эффекта были отмечены Нобелевской премии 1956 г.

В 50-60-е годы значительно возросло использование электромагнитных процессов, радиотехники и электроники в научных исследованиях, системах управления, а также в области получения, обработки, хранения, передачи и использовании информации. С этого времени состояние радиоэлектронной техники и микроэлектроники становится одной из важнейших характеристик, определяющих уровень научно-технического и промышленного развития государства. Мировое производство все более совершенных электронных приборов промышленного назначения (вычислительных машин, контрольно-измерительной аппаратуры, технологических устройств, приборов для систем автоматизации, контроля и управления технологическими процессами) быстро нарастает.

Вместе с тем развиваются исследования и производство новых видов радиоматериалов, методы конструирования миниатюрных и вы­соконадежных электронных приборов. Увеличивается степень интеграции, т.е. число электронных деталей на одном кристалле полупроводника при одновременном уменьшении их размера. В 60-е годы были изобретены и стали повсеместно применяться интегральные электронные схемы (ИС). Так возникла твердотельная полупроводниковая микроэлектроника и начался новый этап развития и использования ЭВМ. «Транзисторные» вычислительные машины стали вторым поколением ЭВМ. Примерно с этого времени аббревиатура ЭВМ уступила место термину «компьютер». Первая ИС, представлявшая собой схему триггера из четырех транзисторов и двух резисторов, располагалась на кристалле площадью 1,6 х 9,6 мм. Массовый выпуск ИС начался в 1962 г. К этому времени на одном кристалле кремния 1,25x1,25 мм размещалось уже 16 транзисторов. В начале 70-х годов создаются первые микропроцессоры — функционально завершенные электронные схемы на одном кристалле. В конце 70-х гг. XX в. на кристалле 6,2x7,15 мм размещается уже 68000 транзисторов, составляющих сложную электронную схему из ряда узлов, включая запоминающее устройство. Большие интегральные схемы (БИС) содержат на кристалле 6x6 мм около 100 тыс. элементов. В 80-е годы на одном кристалле сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) размещается свыше (причем значительно) 100 тыс. элементов каждый размером около 1 мкм. Формирование и последующий прогресс электронной техники во многом определили содержание и основные направления научно-технической революции середины XX в.