در گفتوگو با آنا بررسی شد؛
آنا گزارش می‌دهد؛
تغییر مسیر دنیای فناوری با تولد ترانزیستورها/ «سلول‌های مغزی کوچک» چگونه جایگاه رایانه‌ها را ارتقاء دادند؟
ترانزیستورها قطعات الکترونیکی کوچک ولی بسیار با اهمیت در انواع رایانه‌ها هستند و عملکرد صحیح رایانه وابسته به همین اجزای کوچک است.
به گزارش خبرنگار حوزه علم، فناوری و دانش‌بنیان گروه فناوری خبرگزاری آنا، در نوامبر 1948، قطعه‌ای اختراع شد که نقشی کلیدی در توسعه رایانه‌های امروزی داشت. این قطعه ترانزیستور نام دارد. ترانزیستور تلفیقی از واژگان انتقال و مقاومت در زبان انگلیسی است. در این گزارش نگاهی به این قطعه حیاتی خواهیم داشت.
بیشتر بخوانید:
بومی‌سازی روبات هوشمند بازرسی تونل برق/ وقتی آدم‌آهنی‌ها منجی انسان می‌شوند
مغز انسان حدود 100 میلیارد سلول به نام نورون دارد(سوئیچ‌های کوچکی که به ما امکان می‌دهد فکر کنیم و به خاطر بسپاریم). رایانه‌ها نیز حاوی میلیاردها «سلول مغزی» کوچک هستند. آن‌ها ترانزیستور نامیده می‌شوند و از سیلیکون ساخته شده‌اند. سیلیکون عنصری شیمیایی است که معمولاً در شن و ماسه یافت می‌شود. ترانزیستور در اوایل نوامبر بیش از هفت دهه پیش توسط جان باردین، والتر براتین و ویلیام شوکلی اختراع شد و انقلابی را در عرصه الکترونیک ایجاد کرد.
ترانزیستور چیست و در حقیقت چگونه کار می‌کند؟
ترانزیستور هم ساده است و هم به‌خاطر کمیتش پیچیده! بیایید با قسمت ساده آن شروع کنیم. ترانزیستور قطعه الکترونیکی کوچکی است که می‌تواند دو کار متفاوت انجام دهد. از این قطعه هم می‌توان به عنوان تقویت‌کننده استفاده کرد و هم سوئیچ.
این قطعه وقتی به عنوان تقویت‌کننده کار می‌کند، از یک سر جریان الکتریکی ضعیف را می‌گیرد (جریان ورودی) و در سر دیگر جریان الکتریکی بسیار بزرگتری تولید می‌کند (جریان خروجی)؛ به عبارت دیگر، این قطعه نوعی تقویت‌کننده جریان به حساب می‌آید. این قابلیت در مورد وسایلی مانند سمعک( یکی از اولین اختراعاتی که از ترانزیستور در آن استفاده شد) واقعاً مفید واقع می‌شود.
سمعک دارای میکروفونی کوچک است و به وسیله این میکروفون صداهای دنیای اطراف دریافت می‌شود. در مرحله بعدی این اصوات به جریان الکتریکی نوسان‌دار تبدیل می‌شوند. حال این جریان ورودیِ الکتریکی با یک ترانزیستور تغذیه می‌شود. ترانزیستور چنانچه در بالا گفتیم جریان را تقویت می‌کند و از طریق یک بلندگوی کوچک آن را پخش می‌کند، بنابراین فرد نسخه‌ای بلندتر از صداهای اطراف خود را خواهد شنید.
ترانزیستورها همچنین می‌توانند به‌عنوان سوئیچ کار کنند. جریان الکتریکی کوچکی که از یک قسمت ترانزیستور عبور می‌کند می‌تواند جریان بسیار بیشتری را از قسمت دیگری عبور دهد. به‌عبارت‌دیگر جریان کوچک به جریان بزرگ‌تر تبدیل می‌شود یا جریان کوچک، جریان بزرگ‌تر را فعال‌سازی می‌کند. در اصل همه تراشه‌های رایانه‌ای این‌گونه کار می‌کنند. به‌عنوان‌مثال یک تراشه حافظه شامل صدها میلیون یا حتی میلیاردها ترانزیستور است که هر یک از آن‌ها را می‌توان به‌صورت جداگانه روشن یا خاموش کرد.
صفر و یک رایانه‌ای از اینجا می‌آید
هر ترانزیستور می‌تواند در دو حالت مجزا باشد (این دو حالت را در خود ذخیره کند): صفر یا یک؛ بنابراین با میلیاردها تراشه، می‌توان میلیاردها صفر و یک و تقریباً به همان تعداد حرف و عدد را ذخیره کرد.
نکته جالب در مورد ماشین‌آلات سبک و دستگاه‌های قدیمی این بود که می‌توانستید ترانزیستورهای آن‌ها را از هم جدا و مشاهده کنید که در چه حالتی قرار دارند. باکمی تلاش و پیگیری اصلاً سخت نبود تا کشف کنید که کدام بیت چه‌کاری انجام داده و چگونه یک‌چیز به چیز دیگر منجر شده است؛ اما حوزه الکترونیک عصر حاضر کاملاً متفاوت است. همه‌چیز در مورداستفاده از الکترون برای کنترل برق است. الکترون ذره‌ای درون اتم است. ذره‌ای بسیار کوچک که وزن آن کمی کمتر از هر مقداری است که انسان می‌تواند تصور کند!
پیشرفته‌ترین ترانزیستورهای امروزی با کنترل حرکات مجزای الکترون‌ها کار می‌کنند، بنابراین می‌توانید اندازه کوچک آن‌ها را تصور کنید. در تراشه‌های رایانه‌ای مدرن (که به‌اندازه بندانگشت‌اند) احتمالاً بین 500 میلیون تا دو میلیارد ترانزیستور جداگانه خواهید یافت! ازاین‌رو اصلاً امکان ندارد بتوان ترانزیستور را باز کرد و فهمید که چگونه کار می‌کنند، بنابراین باید آن را به‌صورت تئوری و البته با قوه تخیل خود درک کنیم.
ترانزیستورها چگونه در ماشین‌حساب و رایانه کار می‌کنند؟
به دلیل کمیت بالای ترانزیستورها، نیازی به دانستن عملکرد الکترون‌ها نیست، مگر اینکه خودتان بخواهید روزی کارخانه تراشه سازی راه بیندازید! تنها چیزی که فرد علاقه‌مند یا حتی یک کارشناس نرم‌افزار باید بداند این است که ترانزیستور به‌صورت تقویت‌کننده یا سوئیچ کار می‌کند و از جریان کوچک برای فعال‌سازی جریان بزرگ‌تر استفاده می‌کند؛ اما یک مسئله دیگر هم وجود دارد که دانستن آن به فهم عمومی‌مان از رایانه کمک می‌کند: اینکه ترانزیستورها چگونه به رایانه‌ها برای ذخیره‌سازی اطلاعات و یا تصمیم‌گیری کمک می‌کنند؟
با کنار هم قرار دادن چند ترانزیستور در کنار هم چیزی به نام گیت منطقی ایجاد می‌شود. این گیت‌ها چندین جریان ورودی را به طرق مختلف بررسی می‌کنند و به‌عنوان نتیجه یک «خروجی» متفاوت ارائه می‌دهند.
گیت‌های منطقی، کرایانه‌ها را قادر می‌سازند با استفاده از فنی ریاضی به نام جبر بول تصمیمات ساده بگیرند. مغز انسان نیز به همین روش تصمیم می‌گیرد. در رایانه با استفاده از ورودی‌های مختلف (چیزهایی که می‌دانید) در مورد آنچه انجام می‌خوانید انجام دهید، تصمیم‌گیری می‌کنید. برای مثال اگر هوا آفتابی است «و» هم‌زمان شما دارای پول هستید، آن‌وقت می‌توانید به بازار بروید و هر چی خواستید بخرید. اگر هوا آفتابی باشد اما پول نداشته باشید، آنگاه طبعاً بیرون نمی‌روید. به بازار رفتن شما منوط بر صحیح بودن هر دو گزاره است. حالا این عبارت را به‌صورت جبر بول بررسی می‌کنیم:
اگر هوا آفتابی باشد
و
پول داشته باشید
آنگاه، به بیرون می‌روید.
در این مثال ساده، «و» ( در جبر بول با عملگر AND نشان داده می‌شود) تعیین‌کننده خروجی است. در حقیقت «عملگر» بر اساس ورودی‌ها به یک خروجی می‌رسد. عملگرهای مختلف در تصمیمات مشابه دخیل هستند. به‌عنوان مثال:
اگر باد بوزد
یا
برف ببارد،
آنگاه من کت می‌پوشم.
در بالا نمونه‌ای از استفاده از عملگر OR را شاهد هستیم.
پس با کنار هم قرار دادن عملگرها در میان گزاره‌های مختلف، می‌توان به تصمیم‌گیری در مورد آن‌ها رسید. این گزاره‌ها می‌توانند چندگانه باشند.
اگر باران ببارد
و
من چتر داشته باشم
یا
کلاه داشته باشم
آنگاه به بیرون خواهم رفت.
نقش ترانزیستور در حافظه رایانه
به‌جز عملگرهای AND و OR عملگرهای دیگری نیز وجود دارد مانند NOR، XOR، NOT و NAND. رایانه‌ها به‌وسیله این عملگرها می‌توانند اعداد دودویی (صفر و یک) را جمع و یا مقایسه کنند؛ بنابراین ترانزیستور کمک می‌کند مجموعه منطقی از دستورالعمل‌هایی شکل بگیرد که رایانه‌ها را مجبور به انجام کارهایی کند و در حقیقت این ایده ساده، سنگ بنای برنامه‌های رایانه‌ای امروزی را تشکیل می‌دهد.
به‌طورمعمول یک ترانزیستور پیوندی در صورت عدم وجود جریان پایه «خاموش» است و هنگام ورود چنین جریانی به حالت «روشن» تغییر وضعیت می‌دهد. این بدان معنی است که برای روشن یا خاموش شدن ترانزیستور، جریان الکتریکی لازم است؛ اما ترانزیستورها را می‌توان به گیت‌های منطقی متصل کرد بنابراین اتصالات خروجی آن‌ها به ورودی‌ها بازمی‌گردد. در چنین حالتی ترانزیستور حتی هنگام حذف جریان پایه نیز همچنان روشن می‌مانند.
بیشتر بخوانید:
دستیابی به فناوری‌های پیشرفته صنعتی به همت دانش‌بنیان‌ها / توربین گازی بومی‌سازی شد
هر بار که جریان پایه جدید فعال می‌شود، ترانزیستور «تلنگر» می‌خورد تا روشن یا خاموش شود و سپس در یکی از این حالت‌ها به‌طور پایدار باقی می‌ماند (حالت روشن یا خاموش) و بالاخره جریانی دیگر بیاید و آن را به‌طرف دیگر بچرخاند. این نوع آرایش مبتنی بر تلنگر خوردن یا flip به‌عنوان فلیپ فلاپ (flip-flop) شناخته می‌شود و ترانزیستور را به یک دستگاه حافظه ساده تبدیل می‌کند که صفر (وقتی خاموش است) یا یک (وقتی روشن است) را در خود ذخیره می‌کند. همین ساختار ساده فناوری اساسی در پشت تراشه‌های حافظه رایانه‌های مدرن است.
انتهای پیام/4144/
انتهای پیام/
در دانشگاه آزاد شهرکرد انجام شد؛
