2.3. Ламповый этап

Первый технологический прорыв возник после замены электромагнитного реле радиолампой (триггером). В радиолампе, прежде всего, не содержатся частей, подверженных механическому износу. В радиолампе контакты содержатся в вакууме и не боятся загрязнения и коррозии. Из-за отсутствия необходимости преодолевать массу и упругость механических узлов ток переключения, а значит и энергоемкость переключения были уменьшены на несколько порядков. Первый же эффект, после применения ламп заключался в том, что скорость выполнения операций была увеличена в сотни и тысячи раз.

Благодаря снижению энергоемкости переключения коэффициент усиления ламп многократно выше, чем у реле, а это значит, что один сигнал может управлять большим числом элементов переключения. Вместе с возросшей надежностью это значило, что вычислительные машины можно делать более сложными.

В то же время активно решался вопрос с технологией хранения данных. Становилось понятным, что перфокарты не могут предоставлять данные со скоростью, сравнимой с производительностью ламповых ЭВМ. Поэтому стали активно разрабатываться другие технологии хранения данных – ртутные линии задержки, ферромагнитные материалы. Появились довольно интересные технические решения, причем каждое решение предлагало разные себестоимости хранения и скорости доступа. В одних случаях были удобны одни технологии, в других – другие. Выяснилось, что при использовании ламповых ЭВМ одной технологии хранения данных недостаточно.

Еще одна проблема, возникшая с ростом скорости ЭВМ, заключалась в том, что выборка результатов и введение исходных данных в машину требовали значительного времени, сравнимого со временем вычислений, что снижало итоговую производительность ЭВМ.

Становилось понятным, что ламповая ЭВМ может быть и должна быть значительно сложнее релейной, но требовалось сделать так, чтобы произошедшие усложнения были бы эффективными.

Для решения этой проблемы в работе «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства», написанной в 1946 году венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом с соавторами, были предложены принципы построения ЭВМ. Эти принципы были выработаны в ходе построения цифровой машины в Пенсильванском университете (постройка которой была закончена в 1952 году). Первая ЭВМ, построенная по принципам фон Неймана, появилась в 1949 году в Кембридже. Вначале предполагалось, что эти принципы носят временный характер, однако практически все современные ЭВМ построены на их основе. Эти принципы называются архитектурой построения ЭВМ фон Неймана, а такую ЭВМмашиной фон Неймана.

Еще при создании ламповых машин на основе архитектуры фон Неймана было разработано большое количество технических решений, применяемых и в современных ЭВМ.

В отличие от релейных, ламповые машины обладали достаточной надежностью, чтобы быть запущенными в серийное производство. Ламповые машины достигли предела своего развития к началу 60-х годов, когда стало понятным, что скорость переключения и надежность системы не могут быть увеличены. Проблемы заключались в самом устройстве лампового триггера, в частности, в необходимости электронной эмиссии с поверхности катода с одной стороны, и в явлении электрического пробоя внутри лампы с другой стороны. Эмиссия требовала высоких напряжений и подогрева катода, а необходимость исключить пробой, как и необходимость обеспечить рассеяние тепла, не давали уменьшить размер лампы, а значит не давали уменьшить энергоемкость. Кроме того, из-за необходимости постоянной работы на предельных температурных режимах (для уменьшения времени переключения) лампы перегорали (перегорала, в частности, система подогрева катода), что снижало надежность системы. В свою очередь, необходимость частой замены ламп требовала сделать их контакты разборными, что опять таки снижало надежность вычислительной машины. Помимо всего оказалось, что лампы весьма критичны к вибрациям и ускорениям, так как имеют сложные и хрупкие механические части. Постоянные улучшения конструкций ламп не могли решить проблему в целом.