Как компьютеры «думают» при помощи транзисторов

Что такое транзистор

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые могут усиливать электрический сигнал или действовать как переключатели. Для простоты можно сказать, что транзисторы могут быть в двух состояниях — включены или выключены.

Эти два состояния (1 и 0) являются основой двоичной системы счисления, в которой компьютеры работают. Таким образом, именно с помощью транзисторов компьютер “понимает” и обрабатывает данные. Но как именно это происходит?

Как работают полупроводники в транзисторах

Транзисторы изготовливают из особых материалов, называемых полупроводниками, как правило, это кремний, хотя ученые и работают над тем, чтобы заменить его другими материалами. Как следует из названия, полупроводники находятся в промежуточном состоянии между проводниками и диэлектриками. В проводниках, таких как металлы, электроны слабо связаны с атомами и могут свободно перемещаться по материалу. Эти свободные электроны образуют электрический ток, особенно если на проводник воздействует внешнее электрическое поле.

Диэлектрики, наоборот, представляют собой материалы, в которых электроны сильно связаны с атомами, и в них нет свободных носителей заряда, что делает их изоляторами. Полупроводники, как и диэлектрики, обычно имеют все свои электроны в связанном состоянии, но они не так сильно удерживаются атомами. Поэтому электроны в полупроводниках могут иногда отрываться от своих атомов и становиться “свободными”, создавая электроны проводимости.

Кроме того, при удалении электрона появляется так называемая “дырка” — пустое место, которое может быть занято другим электроном. Процесс, при котором электрон заполняет дырку, называется рекомбинацией. В полупроводниках оба этих процесса (образование пар электронов и дырок, а также рекомбинация) уравновешены. Это означает, что в каждый момент времени количество свободных электронов и дырок остается постоянным.

Под действием внешнего электрического поля свободные электроны начинают двигаться, что вызывает появление тока. Однако в полупроводниках, где свободных электронов намного меньше, чем в проводниках, проводимость будет гораздо ниже. В то же время, когда свободный электрон перемещается, он может “заполнить” дырку, а в месте его исходного положения появляется новая дырка, что создает второй ток — ток дырок.

Какие бывают типы полупроводников

Существует два типа полупроводников: N-типа и P-типа. Чтобы увеличить количество свободных электронов в полупроводниках, в материал добавляют атомы, которые имеют большее количество электронов, чем атомы исходного материала. Например, в кремний, который имеет четыре электрона на внешней оболочке, добавляют атомы фосфора с пятью электронами. В этом случае один из электронов фосфора остается лишним и свободным, что увеличивает проводимость полупроводника за счет дополнительного числа электронов. Таким образом получают полупроводники N-типа.

Если в кремний добавить атомы, имеющие меньшее количество валентных электронов, например, бор или алюминий (с тремя электронами), то в решетке кремния образуются “дырки” — места, где отсутствуют электроны. Это увеличивает проводимость материала за счет того, что дырки начинают перемещаться, что можно интерпретировать как ток положительных зарядов. Так получают полупроводники P-типа.

Если соединить два полупроводника разных типов, например, P-типа и N-типа, то возникает так называемая область истощения. В этой области происходит миграция электронов из полупроводника N-типа в полупроводник P-типа, а также миграция дырок из P-типа в N-тип. В результате создается зона, в которой почти нет носителей заряда.

Когда на такой полупроводниковый “бутерброд” подаtтся электрическое напряжение, это позволяет либо уменьшить, либо увеличить область истощения, что напрямую влияет на проводимость устройства. Важно, что такой элемент пропускает ток только в одном направлении.

Устройство, которое пропускает ток только в одном направлении, называется диодом. Это свойство возникает благодаря тому, что в одном направлении под действием напряжения область истощения уменьшается, облегчая прохождение тока, а в другом направлении — наоборот, она расширяется, что блокирует ток.

Если к полупроводниковому диоду добавить еще один слой полупроводника, то получится полупроводниковый транзистор. Это устройство может усилить сигнал и использоваться в качестве переключателя, что крайне важно для создания микропроцессоров и других электронных устройств.

Таким образом транзисторы используют P-N переход для управления током. Когда транзистор включен, ток свободно проходит через P-N переход, и это состояние обозначает “1” (включено). Когда транзистор выключен, ток не проходит, и это состояние обозначает «0» (выключено).

Как уже было сказано выше, эти два состояния (включено и выключено) — основа работы компьютера. Каждая операция, будь то арифметическое вычисление или выполнение программы, состоит из множества таких переключений, которые происходят с невероятной скоростью.

Транзисторы как логические элементы

Транзисторы обеспечивают реализацию логических операций, таких как AND, OR, NOT. Эти операции являются основой работы всех вычислительных процессов в компьютере. Каждая операция соответствует определенному режиму работы транзисторов:

— Операция AND: Если два транзистора включены, то сигнал проходит. Если хотя бы один из них выключен, сигнал не проходит.
— Операция OR: Если хотя бы один из транзисторов включен, сигнал проходит.
— Операция NOT: Если транзистор включен, он блокирует сигнал, а если выключен, то сигнал проходит.

Проще говоря, комбинации транзисторов могут создавать сложные логические схемы, которые выполняют любые вычисления. На основе этих операций процессоры компьютеров могут обрабатывать информацию, выполнять математические вычисления, принимать решения и решать задачи.

Как работает сложение в компьютере

Итак, транзистор обеспечивает два состояния — 0 и 1. Но как происходит, например, сложение в такой двоичной системе? Чтобы понять, представим, что у нас есть простая задачка: сложить 7 и 9. В десятичной системе это легко — 16. Но в компьютере все происходит в двоичной системе. Число 7 — это 0111, а 9 — это 1001.

Для сложения таких чисел используются сумматоры. Самый простой из них — это полный сумматор, который работает с одним разрядом и учитывает перенос из предыдущего разряда. Как работает полный сумматор? Допустим, мы складываем два бита. Результат может быть один из трех: 0 + 0 = 0 (нет переноса) 0 + 1 = 1 (нет переноса), 1 + 1 = 0 с переносом 1 в следующий разряд.

В реальности для четырехразрядных чисел требуется четыре таких сумматора, соединенных цепочкой. Каждый принимает два бита (один от каждого числа) и один бит переноса. При сложении 7 + 9 получается 10000 — то есть 16 в двоичной системе. Но если у нас только четыре разряда, то «лишняя» пятая единица просто отбрасывается. Компьютер работает строго в рамках установленной разрядности. Поэтому важно учитывать, сколько битов доступно.

Как вычитать с помощью сложения

Интересно, что компьютеры не вычитают напрямую. Вместо этого они превращают вычитание в сложение. Например, чтобы из 5 вычесть 3, компьютер превращает 3 в -3, а затем складывает 5 + (-3). Но как получить отрицательное число в двоичной системе?

Для этого используется метод дополнения до двух. Сначала инвертируем все биты числа (0 → 1, 1 → 0). Затем прибавляем 1. Например, число 3 в двоичном виде — 0011. После инверсии получается 1100, прибавим 1 — 1101. Это и есть -3. Если теперь сложить 5 (0101) и 1101, получится 10010. Отбросим лишнюю пятую единицу — останется 0010, то есть 2. Всё правильно: 5 — 3 = 2.

Вычисления не заканчиваются на сложении

Как только компьютер научился складывать и вычитать, он смог делать и умножение — это просто многократное сложение. А затем и деление — многократное вычитание. Отсюда рукой подать до возведения в степень, извлечения корня и прочих операций.

Все эти процессы строятся на одной логике, на тех же транзисторах и простейших схемах, просто в разных комбинациях. Каждый транзистор в современном компьютере невероятно мал, и их количество на одном чипе процессора измеряется миллиардами.

На самом деле, именно количество этих транзисторов определяет производительность компьютера. Часть из них выполняет простейшие операции, такие как сложение или вычитание, а другая часть работает с логическими функциями, такими как И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT).

Обязательно посетите наши каналы Дзен и Telegram, здесь вас ждут самые интересные новости из мира науки и последние открытия!

Подводя итоги, отметим, что компьютеры не думают так, как мы. У них нет сознания или эмоций. Но они умеют обрабатывать информацию, используя транзисторы как переключатели. Сложение, вычитание, обработка данных, изображений, видео — всё это результат четкой, быстрой и надежной работы миллиардов транзисторов. И все началось с маленького полупроводникового элемента, который в середине XX века дал старт цифровой эпохе. Но технологии не стоят на месте. Транзисторы становятся все более миниатюрными, а в будущем, возможно, они вообще будут заменены.