Trước khi transistor xuất hiện, linh kiện điện tử chủ yếu là ống chân không có dòng điện chạy qua giữa các điện cực. Ống hoạt động dựa trên nguyên lý bức xạ ion do nhiệt: cực âm được nung nóng phát ra các ion âm hay electron (điện tử) và chúng bị hút về cực dương.

LƯỢC SỬ

Thomas Edison năm 1883 đã dùng điện đốt nóng sợi dây tóc trong ống chân không, ông thấy có các điện tử phát ra và chúng có thể thu lại bằng một tấm kim loại. Hiện tượng này được gọi là bức xạ ion do nhiệt và tạo nên nguyên lý cơ bản cho hoạt động của các ống chân không.

John Ambrose Fleming năm 1904 đã tạo ra diode, gồm một cực âm (cathode) và một cực dương (anode), có khả năng tạo ra dòng điện một chiều từ dòng điện xoay chiều. Đây là thành phần cơ bản của máy phát sóng vô tuyến và thiết bị chỉnh lưu điện.

Lee de Forest năm 1906-1908 đã đặt thêm một lưới tản nhiệt đặc biệt giữa cực âm và cực dương của diode, tạo ra triode. Sự đổi mới này cho phép sản xuất thiết bị khuếch đại và chuyển mạch điện tử, cơ sở của ngành điện tử hiện đại.

Trong các máy tính điện tử đời đầu, ống chân không chủ yếu được sử dụng để xử lý thông tin, bao gồm thực hiện các phép toán logic và đồng bộ hóa tín hiệu điều khiển máy.

Trước khi có ống chân không, các máy tính đã sử dụng các thiết bị cơ khí hoặc rơle điện cơ, vốn bền vững nhưng chậm và gây tiếng ồn. Ống chân không cho phép tạo ra các mạch hoàn toàn là điện tử, chạy nhanh hơn và có khả năng hỗ trợ các thiết kế với kiến ​​trúc phức tạp.

Các ống chân không có thể thực hiện ba chức năng cơ bản:

• Chuyển mạch (BẬT/TẮT): ống được kết nối thành bộ đóng-mở nhanh, một thành phần cơ bản trong các cổng logic.
• Khuếch đại: các tín hiệu không bị suy giảm mà ngược lại được tăng cường mạnh lên sau khi đi qua mạch.
• Đồng bộ hoá: tạo ra các xung ổn định, đồng bộ về thời gian giữa các dữ liệu và tín hiệu điều khiển.

Các máy tính điện tử đời đầu thường dùng nhiều Triode là một ống chân không có ba điện cực:

• Cathode: cực âm, nguồn nhiệt phát ra dòng điện tử.
• Anode: cực dương, bộ phận thu nhận dòng điện tử.
• Lưới điều khiển: cực trung gian để kiểm soát dòng điện tử.

Việc điều chỉnh linh hoạt điện thế trên lưới trung gian cho phép kiểm soát dòng điện tử đi từ cực âm tới cực dương. Nguyên lý này tạo nên nền tảng của mạch điện tử trong khuếch đại và chuyển mạch.

Trong máy tính sử dụng ống chân không, 4 thành phần sau đây xuất hiện khắp nơi trong bộ xử lý trung tâm:

• Cổng logic: các hàm AND, OR, NOT, được thực hiện bằng cách sử dụng ống chân không và các linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện, cuộn cảm).:
• Flip-flop: mạch có 2 trạng thái ổn định được sử dụng để lưu trữ bit dữ liệu trong các thanh ghi và bộ đếm.
• Mạch điều khiển: quy định trình tự lệnh và quản lý tín hiệu nội bộ.
• Khuếch đại và điều chỉnh tín hiệu: điều chỉnh tín hiệu từ các thiết bị điện tử nội bộ hoặc thiết bị ngoại vi bên ngoài.

Lưu ý: bộ nhớ chính trong các máy tính điện tử đời đầu thường không chỉ dùng ống chân không. Tuỳ từng loại máy tính và thời kỳ, các công nghệ bộ nhớ khác nhau đã ra đời và cùng tồn tại như: dây trễ, trống từ, xuyến ferrite hoặc ống Williams.

GIỚI HẠN CỦA ỐNG CHÂN KHÔNG

Các ống chân không đã được ứng dụng trong chế tạo máy tính điện tử, mặc dù chúng có những hạn chế lớn sau đây:

• Tiêu thụ năng lượng và toả nhiệt lớn: nhiệt lượng tỏa ra liên tục ở các cực âm là một điểm trừ về kỹ thuật và kinh tế.
• Độ tin cậy: Các máy tính điện tử có hàng nghìn ống chân không và thường xuyên gặp sự cố hỏng hóc.
• Sự cồng kềnh: các ống chân không, thiết bị làm mát và hệ thống cấp điện chiếm nhiều diện tích trong phòng làm việc.
• Thời gian khởi động lâu: cần có thời gian làm nóng trước khi hoạt động ổn định.

Điều này giải thích hoàn toàn dễ hiểu vì sao mà trong ngành công nghiệp máy tính việc ứng dụng các transistor và mạch tích hợp đã diễn ra rất nhanh chóng.

Ng.Chi Cong ©2019 Bảo tàng CNTT

Năm 1947 transistor ra đời rồi dần dần thay thế đèn điện tử (ống chân không). Nó có thể được chế tạo ở kích thước cực nhỏ và thực hiện cực nhanh hiệu ứng đóng mở hoặc khuếch đại dòng điện, nhờ vậy đã thay đổi cả thế giới bằng sự có mặt ở mọi nơi, từ những thiết bị cá nhân gần gũi như máy tính, điện thoại v.v. cho đến những con tàu vũ trụ đang lặng lẽ bay đến các hành tinh xa xôi ...

Những máy tính điện tử đầu tiên đã sử dụng rất nhiều ống chân không (còn gọi là đèn điện tử) để thực hiện hiệu ứng đóng mở. Khi vận hành đèn nóng rực nên phải đặt máy tính trong một căn phòng lớn với máy lạnh và một nhóm chuyên viên làm việc tại chỗ rất tốn kém mà vẫn hỏng hóc thường xuyên.

Ống chân không sau đó dần dần được thay thế bằng transistor, còn gọi là bóng bán dẫn. Đó là một loại linh kiện điện tử được chế tạo trên nền tảng công nghệ khuếch đại bán dẫn do ba nhà khoa học William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain phát minh vào năm 1947 tại Phòng thí nghiệm Bell nổi tiếng của Mỹ.

Chiếc transistor đầu tiên làm bằng chất bán dẫn germanium được giới thiệu ngay trước lễ Giáng sinh năm 1947 rồi 6 tháng sau đó có công bố rộng rãi cho toàn thế giới biết. Và ba tác giả nói trên đã vinh dự nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1956. Nhưng đó chưa phải là tất cả câu chuyện mà chỉ mới bắt đầu.

Ngành công nghiệp và người tiêu dùng không phải chờ đợi lâu mới biết tới các ứng dụng liên quan. Sản phẩm thương mại đầu tiên có chứa một bộ khuếch đại bán dẫn là máy trợ thính Sonotone 1010 được bán ra thị trường vào năm 1952, tức là chỉ 5 năm sau phát minh về transistor.

Phát minh đó quả thật đã trực tiếp tạo nên cuộc cách mạng công nghiệp mới với các linh kiện và công cụ giúp loài người chuyển sang một thời kỳ phát triển xã hội vượt bậc, được gọi là thời đại thông tin. Năm 1957, tại công ty Texas Instruments nhà khoa học J.Kilby đã sáng chế mạch tích hợp germanium - tiền thân của các vi mạch (còn gọi là chip hay con bọ) được làm bằng chất bán dẫn silicon sau này.

Kỹ sư Gordon Moore 39 tuổi khi sáng lập hãng Intel cùng tiến sĩ Robert Noyce (người sáng chế mạch tích hợp - tức IC hay vii mạch - độc lập với Kilby). Trong một bài báo đăng ngày 19.4.1965 của tạp chí Electronics ông Moore dự đoán mật độ transistor trên chip sẽ tăng gấp đôi trong khoảng từ 18 tháng đến 2 năm. Định luật Moore từ đó đến nay vẫn đúng dù trong thực tế đã sắp chạm đến giới hạn vật lý của thế giới vi mô, nơi có những định luật cơ học lượng tử làm chủ.

Sự tăng trưởng đều đặn mật độ transistor trên một chip bán dẫn đã cho phép hãng Intel và các hãng tiếp theo làm ra được các bộ nhớ, bộ vi xử lý và các chip khác vừa nhỏ xíu vừa tiêu thụ rất ít điện. Những linh kiện này mở ra một con đường mới cho các hãng chế tạo máy tính và sự ra đời của máy tính cá nhân (PC), cũng như của các công ty khởi nghiệp (start-up) gần như đi từ số không mà sau này trở thành khổng lồ như MicroSoft, Apple v.v..

Trong thập niên 1980 mỗi chip silicon đã có thể phức tạp đến mức bao gồm hàng triệu transistor. Chúng có mặt trong cực nhiều ứng dụng và ở khắp mọi nơi, từ những thiết bị cá nhân gần gũi như máy tính, điện thoại v.v. cho đến những con tàu vũ trụ đang lặng lẽ bay đến các hành tinh xa xôi.... Transistor ngày nay càng nhỏ hơn và nằm gần nhau hơn ở mức nanomét (1 phần tỷ mét), cho phép các thiết bị mạnh lên gấp bội và thúc đẩy sự phát triển của xã hội với những bước ngoặt bất ngờ.

Ng.Chi Cong ©2019 Bảo tàng CNTT