120 лет эволюции электроники по китайскому календарю

Микроэлектроника начала развиваться еще до появления транзисторов и интегральных схем благодаря ряду изобретений. Первым важным шагом стало открытие переменного тока Николой Тесла. Это изобретение позволило передавать электричество на большие расстояния и стало основой для работы электронных устройств. В начале XX века появились радиолампы, изобретенные Ли де Форестом. Эти устройства стали первыми радиоэлектронными компонентами, которые способны выполнять функции, сходные с современными транзисторами.

Еще одним важным открытием стал фотоэлектрический эффект, описанный Альбертом Эйнштейном. Этот эффект лег в основу работы светочувствительных приборов и полупроводников, что стало важным этапом на пути к созданию интегральных схем. В конце 20-х годов был создан дифференциальный анализатор — аналоговый вычислительный прибор, который продемонстрировал возможности механического моделирования сложных математических задач. Затем появился первый электронный компьютер, где для вычислений использовались электронные схемы. Прибор заложил фундаментальные принципы, которые легли в основу цифровой электроники.

Все эти изобретения подготовили почву для изобретения транзисторов и микроэлектронных технологий.

На Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году компания Westinghouse Electric представила широкой публике систему переменного тока. Ее основал Джордж Вестингауз при активном участии Никола Теслы, который разработал основные принципы и технологии использования переменного тока. Вестингауз и Тесла продемонстрировали эффективность и безопасность переменного тока, разместив на выставке колонну из 15 тысяч разноцветных лампочек. Они зажигались в определенной последовательности. Любопытно, что в разработке ламп участвовал русский ученый Александр Лодыгин.

Демонстрация работы переменного тока не только доказала преимущества технологии над системами постоянного тока, которые разрабатывал Томас Эдисон, но и убедила общественность и промышленников в целесообразности внедрения переменного тока для массового использования.

Фактически на Всемирной выставке состоялся один из эпизодов так называемой «битвы токов». В конце XIX века шло противостояние между системами передачи электроэнергии постоянного тока, поддерживаемой Томасом Эдисоном, и переменного тока, продвигаемой Николой Теслой и Джорджем Вестингаузом. Эдисон утверждал, что постоянный ток безопаснее, тогда как Тесла и Вестингауз настаивали на эффективности переменного тока для передачи энергии на большие расстояния.

Основное достоинство переменного тока заключалось в использовании трансформаторов, которые позволяли повышать напряжение для передачи на большие расстояния и затем снижать его для безопасного использования. Эти нововведения стали возможны благодаря проектам Теслы, включавшим разработку многофазных систем переменного тока и асинхронных двигателей.

Успех на выставке открыл путь к созданию национальных и международных энергосетей, которые обеспечили современный уровень урбанизации и индустриализации.

Уже через год, в 1894 году, десять электрогенераторов конструкции Николы Теслы и произведенные компанией Westinghouse Electric заработали на новой гидроэлектростанции Ниагарского водопада.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал революционное объяснение фотоэлектрического эффекта, который впоследствии стал основой для работы полупроводников и фотоэлектрических элементов.

Работа Эйнштейна показала, что свет состоит из квантов (фотонов), энергия которых может выбивать электроны из материала. Это открытие стало основой для изучения и применения полупроводников, в основе работы которых лежит движение электронов под воздействием света или электрического поля.

Фотоэлектрический эффект помог исследовать энергетические переходы электронов в материалах, что сыграло ключевую роль в разработке теории работы диодов, транзисторов и оптических датчиков. Транзисторы и диоды — базовые компоненты современной микроэлектроники.

Американский инженер Ли де Форест в 1906 году изобрел первую в мире электронную лампу (радиолампу), которая получила название «Аудион». Она стала первым в мире электровакуумным прибором, который может усиливать электрические сигналы. Радиолампа представляла собой триод — устройство с тремя электродами: катодом, анодом и сеткой. При пропускании электрического тока через катод он выделял электроны, которые, управляемые напряжением на сетке, могли усиливать слабые сигналы. Радиолампа позволила усилить радиосигналы до уровня, достаточного для надежного приема и передачи, что открыло новые возможности для радиосвязи.

К 1917 году радиолампа «Аудион» стала основным элементом радиоприемников и передатчиков. Она сделала возможным создание более надежных систем связи, обеспечив качественное усиление сигналов и тем самым улучшив дальность и четкость радиопередач. Это изобретение заложило основу для коммерческого радио, развития телевидения и первых шагов в телефонии. Функция усиления сигналов «Аудиона» сделала радиолампы незаменимыми в телеграфе, радиостанциях и звуковом оборудовании, например усилителях.

Несмотря на то что вакуумные лампы были громоздкими, хрупкими и потребляли много энергии, они стали фундаментом для создания транзисторов, которые позднее пришли им на смену. Принцип управления электрическими сигналами через сетку стал основой для работы полупроводниковых приборов.

В 1947 году изобретение транзистора Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли на базе тех же идей привело к миниатюризации и эволюции микроэлектроники. Таким образом, лампа «Аудион» стала одним из ключевых этапов на пути к современным интегральным схемам и процессорам.

В 1929 году Ваннивар Буш, тоже американский инженер, создал дифференциальный анализатор — одну из первых вычислительных машин, которая могла решать сложные дифференциальные уравнения. Это устройство представляло собой гибридную механико-электрическую систему, в которой использовались шестерни, диски и вращающиеся валы для выполнения математических операций. Его основное назначение заключалось в автоматизации расчетов, которые ранее выполнялись вручную или с помощью простейших механических устройств.

Дифференциальный анализатор помог решать задачи в различных инженерных проектах, а также в аэродинамике, физике и оборонной промышленности. Устройство позволило ученым моделировать сложные физические процессы, такие как движение снарядов и поведение флюидов, что стало революционным для своего времени. Хотя анализатор был громоздким и требовал значительных усилий для настройки, его точность и скорость значительно превышали возможности ручных методов.

Принципы работы дифференциального анализатора вдохновили инженеров на разработку первых цифровых вычислительных машин. Его механизмы, связанные с преобразованием аналоговых сигналов в измеримые результаты, стали основой для перехода к электронным системам, которые используют реле и транзисторы. Такие идеи, как обработка данных и создание схем для решения уравнений, позднее нашли отражение в конструкции более компактных и эффективных электронных компьютеров.

Дифференциальный анализатор стал мостиком между эпохой механических вычислений и наступлением цифровой эры.

В 1941 году в Университете штата Айова Джон Атанасов и Клиффорд Берри завершили разработку первого прототипа электронного цифрового компьютера, известного как Atanasoff-Berry Computer (ABC). Машина была создана для решения систем линейных алгебраических уравнений, часто встречающихся в инженерных и научных расчетах. ABC работал на основе двоичной арифметики и использовал электронные вакуумные лампы для выполнения вычислений, что отличало его от механических предшественников.

ABC представлял собой устройство, работающее по принципу разделения задач на отдельные процессы, что стало основой для многих будущих компьютеров. Кроме того, ABC стал первой вычислительной машиной без движущихся частей. В нем использовалось 300 вакуумных ламп для логических операций и конденсаторы для хранения данных. Он был одним из первых компьютеров, использовавших электронные переключатели вместо механических реле. Несмотря на отсутствие программируемости, ABC стал революционным шагом в автоматизации вычислений.

ABC стал первым примером использования электронных компонентов для вычислений и показал преимущества электронных систем перед механическими. Идеи, заложенные в его конструкции, такие как двоичная арифметика, использование электрических схем для выполнения операций и логические структуры, легли в основу будущей микроэлектроники. Эти подходы были впоследствии реализованы в транзисторах и интегральных схемах, что сделало компьютеры более компактными и производительными.

В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли из Bell Labs представили первый в истории транзистор. Это миниатюрное устройство управляет электрическим током и усиливает электрические сигналы. Транзистор заменил громоздкие вакуумные лампы, а электронные приборы на его основе стали заметно меньше в размерах. Также снизилось их энергопотребление. Изобретение транзистора открыло путь к миниатюризации электроники и стало основой для развития интегральных схем.

В 1953 году транзисторы впервые нашли широкое применение в портативных радиоприемниках для массового рынка. По сравнению с аналогами на вакуумных лампах, такие приемники были легче, меньше и могли работать от батареек. Радио стало доступно широким массам «на ходу». Радиоприемники на транзисторах можно было носить с собой, не привязываясь к электросети.

Первым коммерческим транзисторным радиоприемником стал Regency TR-1. Он появился на полках магазинов в 1954 году. Аппарат весил 340 грамм вместе с батареей. Размеры составляли 7,62×12,7×3,2 см. Для привыкших к громоздким радио на вакуумных лампах Regency TR-1 казался вершиной миниатюризации и стал символом новой эры персональной электроники. Ранее доступ к таким устройствам был только у специалистов.

Успех транзисторных радиоприемников в 50-х годах стал катализатором внедрения транзисторов в другие портативные приборы и созданию миниатюрных электронных компонентов для более сложных устройств, включая компьютеры.

В 1965 году Гордон Мур, один из сооснователей компании Intel, опубликовал статью, где сделал революционное предсказание о развитии микроэлектроники. Он анализировал достижения в микроэлектронике и заметил, что количество транзисторов на интегральных схемах удваивается примерно каждые два года. Это приводит к увеличению их производительности при одновременном снижении стоимости. Выводы получили название «закон Мура», который стал ориентиром для всей индустрии полупроводников на десятилетия вперед.

Компании по всему миру начали планировать свои разработки, ориентируясь на закон Мура, стремясь достичь прогнозируемого удвоения плотности транзисторов, чтобы сохранить конкурентоспособность. Увеличение плотности транзисторов привело к созданию более мощных и компактных устройств, таких как персональные компьютеры, смартфоны и современные суперкомпьютеры.

В середине 2010-х годов закон Мура столкнулся с ограничениями, которые связаны с физическими пределами миниатюризации транзисторов. Но производители микроэлектроники нашли выход: вместо дальнейшего уменьшения размеров транзисторов компании исследуют и внедряют альтернативные подходы. Например, квантовые вычисления, многоядерные процессоры и трехмерное расположение транзисторов. Фактически индустрия продолжает подчиняться принципу ускоряющегося технологического прогресса, который Гордон Мур заложил в 1965 году.

Apple II стал важным продуктом в истории персональных компьютеров и микроэлектроники. Он стал одним из первых массовых устройств, которые сочетали солидную для тех времен мощность и удобный для обычного пользователя интерфейс. Apple II предлагал привлекательный дизайн, встроенный монитор и клавиатуру, а также цветную графику — это выгодно выделяло компьютер на фоне конкурентов.

Ключевой особенностью Apple II стала его расширяемая архитектура. Устройство оснащалось несколькими слотами для установки дополнительных плат, которые давали пользователям возможность самостоятельно модернизировать компьютер. Так был открыт путь к развитию экосистемы сторонних разработчиков, которые начали выпускать периферийные устройства и программы для Apple II.

Мощный процессор MOS Technology 6502 с частотой 1 МГц, 4 КБ RAM с возможностью расширения до 48 КБ, а также гибкая операционная система Apple DOS сделали компьютер универсальным инструментом для решения разных задач. Львиная доля коммерческих программ для Apple II писались в среде Apple DOS, а позже — ProDOS и GS/OS.

Преимущества Apple II сделали его привлекательным для массового пользователя. Компьютер покупали и для дома, и для бизнеса. Программное обеспечение, например электронные таблицы VisiCalc, позволило использовать Apple II для решения бизнес-задач. Также он стал популярным среди компьютерных энтузиастов и образовательных учреждений, так как помогал людям развивать навыки работы с вычислительными системами.

Выход процессора Intel 80486 в 1989 году стал качественным скачком в производительности и функциональности центральных процессоров. Чип объединил в одном корпусе несколько новых технологий: встроенный математический сопроцессор, кеш первого уровня и улучшенные инструкции. Все это позволило значительно увеличить скорость вычислений и снизить энергопотребление. Также Intel 80486 стал первым процессором компании, который можно считать полноценным RISC/CISC-гибридом. Он сочетал сложность инструкций с оптимизацией, которая сохраняла быстродействие на высоком уровне.

Одной из ключевых особенностей Intel 80486 стала интеграция компонентов, которые ранее требовали использования отдельных микросхем. Например, встроенный математический сопроцессор позволил ускорить выполнение операций с плавающей запятой. Он значительно увеличил производительность в таких задачах, как научные расчеты и обработка графики. Также впервые в линейке процессоров Intel был представлен кеш первого уровня объемом 8 КБ, который сократил задержки при доступе к данным и улучшил общую производительность компьютеров на базе Intel 80486.

Появление Intel 80486 способствовало развитию многозадачности в программном обеспечении благодаря поддержке новых возможностей, таких как улучшенный защищенный режим работы и аппаратное переключение задач. Это стало важным шагом для операционных систем, включая ранние версии Windows. Например, Windows 3.1 и OS/2 благодаря аппаратной поддержке Intel 80486 смогли более эффективно управлять несколькими приложениями. Ранее многозадачность в основном реализовывалась на программном уровне и была менее эффективной.

В общем, Intel 80486 стал мостиком между старыми однозадачными системами и современными компьютерами, где многозадачность реализована на аппаратном уровне. Архитектурные решения этого процессора заложили фундамент для следующих поколений процессоров, таких как Pentium. Intel 80486 подчеркнул потенциал интеграции компонентов в рамках одной микросхемы, что потом стало стандартом в индустрии микроэлектроники.

Можно считать 2001-й — годом активного развития беспроводного доступа во всем его разнообразии. Ключевым событием стало широкое распространение стандарта IEEE 802.11b. Он был представлен в 1999 году, но в потребительских устройствах стал активно появляться только в 2001-м. Скорость передачи данных по протоколу 802.11b достигала 11 Мбит/c — этого хватало для подавляющего большинства приложений.

Broadcom, Atheros, Intel и другие компании в 2001 году начали выпуск компактных и более доступных Wi-Fi-модулей. Одна такая микросхема справлялась почти со всеми задачами, которые связаны с передачей данных по Wi-Fi. Это снизило стоимость оборудования, его размеры и энергопотребление.

Так, беспроводной интернет на базе Wi-Fi появился в ряде потребительских устройств — карманных персональных компьютерах, точках доступа и ноутбуках. Производители Wi-Fi-модулей сосредоточились на интеграции нескольких функций в одном кристалле. Тренд на создание систем на кристалле (SoC) стал основой современной микроэлектроники, влияя на развитие не только Wi-Fi-устройств, но и смартфонов, планшетов и устройств интернета вещей (IoT).

В 2001 году начался рост числа Wi-Fi-точек доступа в общественных местах, таких как кафе, аэропорты и отели. Например, сеть кофеен Starbucks начала предоставлять Wi-Fi как услугу, демонстрируя потенциал беспроводного интернета.

Развитие Wi-Fi фактически стало толчком к эволюции интернета вещей. Технология стала одним из основных стандартов подключения для IoT-устройств: от систем умного дома до промышленных датчиков, что повлияло на развития микроэлектроники на десятилетия вперед.

Распространение Wi-Fi в 2001 году стало катализатором беспроводной революции. Достижения не только изменили способы доступа к интернету, но и стимулировали инновации в микроэлектронике, особенно в дизайне радиочастотных схем, системной интеграции и энергоэффективности. Эти разработки сформировали основы современного «подключенного» мира, где Wi-Fi остается ключевой технологией связи.

В 2013 году технология 3D NAND начала активно внедряться в производство, открывая новые возможности для рынка флеш-памяти. Традиционные 2D NAND-структуры, где ячейки памяти располагались горизонтально, столкнулись с ограничениями по плотности хранения и масштабируемости. 3D NAND предложила радикально новый подход: вместо увеличения горизонтальной плотности, флеш-память ячейки памяти решили укладывать не только горизонтально, но и вертикально в несколько слоев. Такой подход позволил преодолеть физические ограничения и значительно увеличить емкость чипов.

Производители, такие как Samsung, начали укладывать ячейки памяти в десятки слоев (на первых этапах — 24−32 слоя). Это позволило разместить больше данных на меньшей площади, сохраняя стабильность работы и снижая энергопотребление.

Примером коммерческого успеха технологии стала линейка SSD-накопителей Samsung серии 850 EVO, выпущенная в 2014 году. Эти накопители использовали 32-слойную 3D NAND-память, предоставляя пользователям более высокую емкость по доступной цене. Революционная технология дала преимущества SSD-устройствам перед традиционными жесткими дисками, способствуя их массовому внедрению в персональных компьютерах и ноутбуках.

Если в начале 2010-х годов SSD были премиальными устройствами, которые используются в основном в высокопроизводительных системах, то уже к середине десятилетия они стали стандартом для большинства ноутбуков благодаря выгодному соотношению цены и производительности.

Эта технология также обеспечила рывок в емкости портативных устройств, таких как USB-флешки и карты памяти. Объемы флеш-накопителей значительно выросли, на устройствах размером меньше плитки шоколада можно было хранить терабайты данных.

Оригинальная 3D NAND-технология также открыла путь к еще более продвинутым решениям, таким как 128- и 256-слойные структуры, которые начали разрабатываться уже в конце 2010-х годов. Производители, включая Samsung, Micron, Western Digital и Intel, продолжали работать над улучшением характеристик, включая повышение скорости чтения и записи, уменьшение задержек и снижение энергопотребления.

Коммерциализация 3D NAND в 2013 году изменила ландшафт индустрии хранения данных, сделав флеш-память более доступно и емкой. Сегодня устройства на основе этой технологии стали неотъемлемой частью как профессионального, так и повседневного использования — от облачных серверов до смартфонов и бытовой электроники.

Какие открытия нас ждут в этом году Змеи? Достоверно можно будет ответить, когда он завершится. Пока известно, что в 2025 году начнется процесс стандартизации технологии 6G, которая обещает более быструю и эффективную передачу данных. Разработчики квантовых компьютеров сосредоточатся на исправлении ошибок, что приблизит нас к практическому использованию квантовых технологий. Технологии дополненной и виртуальной реальности будут использоваться все чаще, объединяя физический и виртуальный миры. А искусственный интеллект станет неотъемлемой частью нашей повседневности, помогая в принятии решений, усилении творческих способностей и автоматизации сложных задач.

Как сказал древний китайский философ Лао-Цзы, «великие перемены происходят, когда тысячи маленьких шагов объединяются в единый путь». Возможно, что один из этих маленьких шагов в бесконечной эволюции электроники сделаете вы или ваши дети. А начать вам поможет бесплатный онлайн-курс по схемотехнике.