У середині 20-го століття електронний світ був царством вакуумних ламп. Уявіть собі: великі обчислювальні машини, такі як ENIAC чи UNIVAC, були наповнені сотнями, а то й тисячами тендітних скляних колб, кожна з яких розміром приблизно з лампочку розжарювання. Ці лампи були справжніми «монстрами» — вони були громіздкими, виділяли величезну кількість тепла, мали надзвичайно високе енергоспоживання і, що найгірше, були вкрай ненадійними. Згоріла одна лампа – і весь пристрій зупинявся. Створення великих, потужних обчислювальних машин було надзвичайно складним завданням саме через ці обмеження. Світ потребував чогось кращого, чогось меншого, надійнішого та ефективнішого.
Відповідь прийшла зі святая святих американських наукових досліджень – лабораторії Bell Labs. Саме тут, у грудні 1947 року, невелика, але надзвичайно талановита команда фізиків – Джон Бардін, Волтер Браттейн і Вільям Шоклі – працювала над пошуком альтернативи вакуумним лампам. Їхньою метою було використати властивості напівпровідникових матеріалів, таких як германій, для керування електричним струмом. Після численних експериментів та інновацій, 23 грудня 1947 року вони зробили це доленосне відкриття.
Те, що вони створили, було неймовірним: перший у світі точковий контактний транзистор. Цей крихітний пристрій, значно менший за ніготь пальця, міг виконувати ті ж функції перемикання та підсилення, що й велика, ненадійна вакуумна лампа. На відміну від ламп, він не потребував часу на розігрів, споживав мізерну кількість енергії і був набагато, набагато довговічнішим. Це був прорив, який згодом приніс Бардіну, Браттейну та Шоклі Нобелівську премію з фізики у 1956 році. Це було народження фундаментальної технології, яка змінила все.
Перший точковий транзистор Bell Labs
Винахід транзистора ознаменував початок так званої «твердотільної революції». Замість використання вакууму для керування електронами, тепер можна було робити це всередині твердого матеріалу – напівпровідника. Це дозволило не просто зменшити розміри електронних компонентів, а й зробити їх надзвичайно надійними та енергоефективними. Транзистор став невидимим, але всюдисущим будівельним блоком для всієї сучасної електроніки.
Коли Вільям Шоклі, один з винахідників транзистора, заснував власну компанію Shockley Semiconductor, він зібрав команду блискучих молодих вчених. Проте його керівний стиль був автократичним, а фокус компанії зміщувався на неперспективні, на думку інженерів, чотиришарові діоди, замість розвитку кремнієвих транзисторів. Напруга зростала. Восени 1957 року вісім провідних інженерів, серед яких були Роберт Нойс та Гордон Мур, вирішили покинути компанію. Шоклі назвав їх «Зрадницькою вісімкою» і це прізвисько увійшло в історію, хоча саме їхній вчинок став поворотним моментом для всієї індустрії.
The «traitorous eight»
Traitorous Eight не мала грошей, але мала ідеї та неймовірний потенціал. Вони знайшли фінансування і заснували нову компанію – Fairchild Semiconductor. Їхньою місією було виробництво високоякісних кремнієвих транзисторів. У Fairchild Semiconductor панував дух інновацій. Одним з найважливіших проривів став винахід планарного процесу, який дозволив надійно створювати та електрично ізолювати окремі компоненти безпосередньо на поверхні кремнієвої пластини. Це зробило можливим комерційне виробництво перших життєздатних інтегральних мікросхем.
Успіх Fairchild Semiconductor був феноменальним. Однак згодом багато інженерів покинули компанію, щоб заснувати власні стартапи. Ці компанії, такі як Intel (заснована Нойсом та Муром), AMD, National Semiconductor та інші, були названі «дітьми Fairchild» (англійською це гра з назвою компанії Fairchild -> Fairchildren). Ця хвиля стартапів фактично сформувала те, що ми сьогодні знаємо як Кремнієву Долину.
У той час як світ захоплювався транзистором, інженери стикалися з новою проблемою: як вмістити мільйони цих крихітних компонентів у пристрої?
До створення інтегральної мікросхеми долучились багато інженерів та науковців. Наприклад, Роберта Нойса так і не відзначили Нобелівською премією (не видається посмертно), а окрім Кілбі згадки заслуг Леговеца, Нойса і Хоерні зустрічались не часто.
Відповідь прийшла майже одночасно від двох видатних умів.
У 1958 році Джек Кілбі з Texas Instruments створив першу «твердотільну інтегральну мікросхему». Він довів, що кілька компонентів можна створити та з’єднати на одному шматку напівпровідника. За це відкриття Кілбі отримав Нобелівську премію з фізики 2000 року («For his part in the invention of the integrated circuit»).
Приблизно в той самий час, у 1959 році, Роберт Нойс з Fairchild Semiconductor незалежно запропонував досконалішу концепцію. Він зрозумів, що всі компоненти можна не тільки розмістити, але й з’єднати безпосередньо на одній кремнієвій пластині, використовуючи фотолітографію. Винахід Нойса, відомий як планарний процес, був справжньою революцією у виробництві. Він дозволив створювати інтегральні схеми (ІС) у великих обсягах з високою точністю.
Планарний процес у 1959 році винайшов Жан Хоерні (Jean Hoerni) у Fairchild. Роберт Нойс того ж року запропонував монолітну інтегральну схему на основі планарної технології з оксидним пасивуванням і металевими (алюмінієвими) міжз’єднаннями, що й зробило ІС практичними та масштабованими
Інтегральна схема Dual NOR з «Аполлону» — мікросхема, що містить два незалежних логічних елементи (вентилі) типу NOR (АБО-НІ). Це фундаментальний будівельний блок цифрової логіки
Народження мікросхеми докорінно змінило світ електроніки. Зменшення розміру компонентів дозволило створювати мініатюрні пристрої, які раніше були немислимими. Від простих калькуляторів до складних комп’ютерів, від космічних кораблів до сучасних смартфонів – інтегральні схеми стали невидимим мозком, який живить весь технологічний прогрес.
Польоти в космос вимагали безпрецедентної точності. Для місії «Аполлон» це означало складне керування траєкторією крізь величезні відстані космічного простору. Ручне керування було недостатнім, тому місія потребувала комп’ютерного мозку.
Бортовий комп’ютер Аполлон (AGC)
На початку 1960-х комп’ютери були громіздкими машинами. Для космічного корабля потрібен був пристрій, який міг би вміститися в обмеженому просторі, бути легким і мати мінімальне енергоспоживання. Відповідь на цей виклик дала Лабораторія інструментарію Массачусетського технологічного інституту (MIT, Instrumentation Laboratory), розробивши бортовий комп’ютер «Аполлон» (Apollo Guidance Computer, AGC).
Те, що зробило AGC по-справжньому революційним, було його піонерське використання інтегральних схем (ІС). Замість десятків тисяч окремих транзисторів, AGC використовував тисячі крихітних ІС від Fairchild. Це дозволило зменшити розмір комп’ютера до розміру валізи, забезпечило неперевершену надійність та знизило енергоспоживання до 55 Вт. AGC (модифікація Block II для пілотованих польотів) став піонером у масовому застосуванні інтегральних схем у надзвичайно критичних системах.
Бортовий комп’ютер «Аполлон» (AGC) мав всього 2048 слів (близько 4 КБ) оперативної пам’яті (RAM) та 36,864 слів (близько 72 КБ) постійної пам’яті (ROM). Сьогодні це менше, ніж розмір іконки на вашому смартфоні! ROM була реалізована як «core rope memory» — її буквально ткали, прошивали вручну, пропускаючи дроти через феритові кільця. Це робило її дуже надійною, але й абсолютно незмінною після виробництва.
Пам’ять Core Rope Memory комп’ютера AGC в процесі прошивки
Маргарет Гамільтон: Жінка, яка написала код до Місяця
#
У той час як інженери створювали потужне залізо для космічного корабля, Маргарет Гамільтон та її команда в MIT будували його цифровий мозок. Вона очолила відділ розробки програмного забезпечення, взявши на себе відповідальність за створення коду, який би керував кожним етапом місії.
Щоб уникнути катастрофи, Гамільтон та її команда вперше розробили концепції надійності програмного забезпечення та відмовостійкості. Вони створювали систему, яка могла б виявляти помилки та відновлюватися після збоїв. Обмежені ресурси комп’ютера AGC вимагали інноваційних рішень. Команда Гамільтон стала піонером у розробці асинхронного програмного забезпечення – методу, який дозволяв комп’ютеру обробляти кілька завдань нібито одночасно, динамічно змінюючи їх пріоритет.
В епоху «Аполлона» програмне забезпечення часто розглядалося як другорядний елемент. Проте Маргарет Гамільтон наполягала, що розробка софту – це дисципліна, що вимагає інженерного підходу. Саме вона запропонувала і популяризувала термін «Software Engineering» (Програмна інженерія), що стало значним кроком у професіоналізації цієї галузі.
Маргарет Гамільтон та код місії Аполлон
HAL 9000 та «Співаючий» Комп’ютер: Як Bell Labs надихнула Кубрика
Моторошно спокійний голос комп’ютера HAL 9000 з фільму Стенлі Кубрика «2001: Космічна Одіссея» (1968) став іконою попкультури, символом штучного інтелекту, що вийшов з-під контролю. Але цей образ не був чистою фантазією, а мав цілком реальне технологічне підґрунтя.
Ще в 1961 році в стінах Bell Labs — тієї самої лабораторії, де народився транзистор — інженер Джон Келлі продемонстрував синтез мови за допомогою вокодера (voice coder) на комп’ютері IBM 7094. Комп’ютер «заспівав» пісню «Daisy Bell (A Bicycle Built for Two)».
Ця демонстрація настільки вразила письменника-фантаста Артура Кларка (співавтора сценарію «Одіссеї»), що він вирішив вплести цей епізод у фільм. Саме тому зворушлива сцена «смерті» HAL 9000, коли його когнітивні функції відключають, супроводжується тим, що він починає співати ту саму пісню «Daisy Bell».
Це яскравий приклад того, як технологічні прориви тієї епохи захоплювали уяву суспільства та митців, поки інженери, як Маргарет Гамільтон, вирішували реальні проблеми створення надійного інтерфейсу «людина-машина» для польоту на Місяць.
HAL 9000
Програмне забезпечення під контролем: Піонерська ОСРЧ для космічних польотів
#
Операційна Система Реального Часу, або ОСРЧ (Real-Time Operating System, RTOS), призначена для виконання завдань з чітко визначеними часовими рамками. Вона гарантує, що критично важливі операції відбудуться вчасно, без будь-яких затримок.
AGC повинен був одночасно виконувати безліч завдань: обчислювати траєкторію, керувати двигунами, оновлювати дані на дисплеях. ОСРЧ AGC постійно визначала, яке завдання є найважливішим у даний момент, використовуючи пріоритетне планування. Серцем цієї інноваційної ОСРЧ був «Apollo Executive» – виконавчий модуль, який динамічно розподіляв обчислювальні ресурси.
Найвидатнішим досягненням «Apollo Executive» була його здатність справлятись з непередбаченими ситуаціями. Під час посадки на Місяць модуль «Орел» зіткнувся з несподіваним перевантаженням даних. Це спричинило серію тривожних кодів – знамениті «1201» та «1202». Будь-яка інша система могла б просто зависнути. Але завдяки своїй ОСРЧ, AGC автоматично розвантажився, відкидаючи менш пріоритетні завдання і зберігаючи виконання критично важливих програм посадки.
Останні хвилини спуску місячного модуля «Орел» були наповнені неймовірною напругою. Ніл Армстронг шукав безпечне місце для посадки, а паливо стрімко тануло.
І саме в цей момент на екрані бортового комп’ютера з’явилися коди помилок: «1201» та «1202». Причиною виявилася технічна несправність: антена радара стикування (rendezvous radar) була неправильно налаштована (не в безпечному положенні). Це призвело до надходження величезної кількості непотрібних та некоректних сигналів через фізичний резонанс, які перевантажували канал зв’язку комп’ютера з оператором (DSKY) та викликали лавину переривань процесора. Наземний персонал завмер – чи варто переривати посадку?
Посадка місячного модуля «Орел»
Саме тут проявилася неймовірна надійність бортового комп’ютера. Його операційна система реального часу (RTOS) була запрограмована так, щоб автоматично віддавати пріоритет найважливішим завданням. Коли виникло перевантаження, RTOS AGC миттєво відкинула менш пріоритетні завдання, зосередившись на головному – безпечній посадці.
Незважаючи на постійні тривожні сигнали, наземний контроль ухвалив сміливе рішення: «Продовжуйте!» Це був акт абсолютної довіри до програмного забезпечення. І ось, нарешті, пролунав голос Ніла Армстронга: «Х’юстон, говорить База Спокою. Орел сів». Це був тріумф не тільки людської мужності, а й бездоганної роботи програмного забезпечення.
Програма «Аполлон» катапультувала індустрію мікросхем у майбутнє. Масові замовлення від NASA змусили виробників різко збільшити виробництво та знизити вартість кожної мікросхеми в тисячі разів, зробивши їх доступними для комерційного ринку.
Водночас Маргарет Гамільтон та її команда закладали основи сучасної програмної інженерії. Їхній підхід до створення надійного та стійкого коду став золотим стандартом для розробки критичних систем.
У 2016 році Барак Обама нагородив Маргарет Гамільтон Президентською медаллю Свободи — найвищою цивільною президентською нагородою США. За її роботу, що допомогла астронавтам «Аполлона» успішно висадитися на Місяць
Досвід, отриманий під час розробки електроніки для «Аполлона», безпосередньо призвів до народження мікропроцесора. Всього через два роки після висадки на Місяць, у 1971 році, компанія Intel представила Intel 4004 – перший комерційний однокристальний мікропроцесор. Він став основою для персональних комп’ютерів.
Перший комерційний мікропроцесор Intel 4004
Таким чином, програма «Аполлон» стала каталізатором, який прискорив розвиток мікроелектроніки та програмного забезпечення на десятиліття. Сучасні смартфони, інтернет, GPS-навігація та медичне обладнання – всі вони є прямими нащадками технологій, що були виплекані під час гонки на Місяць, закладаючи фундамент для всього нашого цифрового світу.
Від Мозку до Організму: Народження Мікроконтролера
#
Intel 4004 був революційним, але це був лише «мозок» — центральний процесор (CPU). Щоб побудувати повноцінну обчислювальну систему, навіть найпростішу, до нього потрібно було додавати цілий розсип зовнішніх мікросхем: окремі чипи для постійної пам’яті (ROM), де зберігалася програма, оперативної пам’яті (RAM) для тимчасових даних, та мікросхеми для керування портами вводу-виводу (I/O). Для складних систем це було виправдано, але для мільйонів потенційних застосувань, де потрібно було керувати чимось простим — наприклад, пральною машиною або касовим апаратом — такий підхід був надто громіздким та дорогим.
Відповідь на цей виклик прийшла від компанії Texas Instruments (TI), яка в цей час була одним із гігантів напівпровідникової індустрії. Команда інженерів під керівництвом Гарі Буна (Gary Boone) та Майкла Кокрана (Michael Cochran) працювала над створенням «калькулятора на чипі». У процесі розробки вони зрозуміли, що можуть створити щось значно універсальніше.
Так, у 1974 році, TI представила світу TMS1000 — перший комерційно успішний мікроконтролер. Це був не просто процесор; це була перша справжня «система-на-чипі» (System-on-Chip). На одному кристалі кремнію були інтегровані:
Центральний процесор (CPU)
Постійна пам’ять для програми (ROM)
Оперативна пам’ять для даних (RAM)
Порти вводу-виводу (I/O)
Спочатку TMS1000 не викликав фурору. Але TI знайшла для нього ідеальне застосування всередині власних продуктів. Завдяки своїй низькій вартості (близько 2 доларів за штуку у великих партіях) та інтегрованій архітектурі, він став серцем недорогих калькуляторів та побутових приладів. А справжнім тріумфом, який продемонстрував міць мікроконтролерів усьому світу, стала легендарна навчальна іграшка «Speak & Spell» (1978), яка використовувала спеціалізовану версію мікроконтролера TI для синтезу мови.
Успіх TMS1000 довів життєздатність концепції «комп’ютера на чипі» і поклав початок ері мікроконтролерів (MCU). Незабаром інші компанії, включно з Intel (з її знаменитим Intel 8048 у 1976 році) та Motorola, випустили власні версії. Ідея інтеграції всього необхідного на один чип стала фундаментальною. З кожним роком мікроконтролери ставали потужнішими, енергоефективнішими та дешевшими, еволюціонувавши в ті самі STM32, ESP32 та тисячі інших, які сьогодні керують усім, від кавоварки до промислового робота, продовжуючи спадщину, закладену в гонці за Місяць.
