Moderne Computer revolutionieren unser Leben.
Sie erledigen Aufgaben, die man noch vor Jahrzehnten für unmöglich hielt.
Das wurde durch viele verschiedene Erfindungen möglich gemacht,
aber es gibt eine fundamentale Erfindung von der fast alles abhängt:
Der Transistor.
Was ist das
und wie macht dieses Gerät all die tollen Dinge möglich, die ein Computer kann?
Im Innersten sind alle Computer das, was der Name andeutet:
Maschinen, die mathematische Operationen durchführen.
Die ersten Computer waren Geräte zur manuellen Zählung wie der Abakus,
während man für neuere mechanische Teile einsetzte.
Was sie zu Computern machte, war die Fähigkeit, Zahlen zu verkörpern,
und ein System, um diese zu handhaben.
Elektronische Computer funktionieren genauso,
aber statt in physischer Anordnung
werden die Zahlen mithilfe von elektrischer Spannung dargestellt.
Die meisten Computer nutzen die Boolesche Logik,
die nur zwei mögliche Werte hat:
die logischen Zustände richtig und falsch,
die man mit den Binärzahlen Eins und Null bezeichnet.
Sie werden durch hohe und niedrige Spannungen verkörpert.
Gleichungen, die durch logische Torschaltungen umgesetzt werden,
geben eine Eins oder Null aus,
je nachdem, ob der Input bestimmte logische Bedingungen erfüllt.
Diese Torschaltungen führen 3 logische Operationen aus,
Konjunktion, Disjunktion und Negation.
Die Verknüpfung funktioniert als "UND-Gatter"
und hat nur einen Hochspannungsausgang,
wenn zwei hohe Spannungen an den Eingängen anliegen.
Die anderen Gatter funktionieren aufgrund ähnlicher Grundlagen.
Schaltungen können kombiniert werden, um komplexe Operationen
wie Addition und Subtraktion auszuführen.
Computerprogramme beruhen auf Befehlen,
die diese Operationen elektronisch durchführen.
Dieses System benötigt eine zuverlässige und genaue Methode,
den elektrischen Strom zu steuern.
Frühe elektronische Computer wie der ENIAC
benutzten ein Gerät namens Vakuumröhre.
Ihre Frühform, die Diode,
besteht aus zwei Elektroden in einem luftleerem Glasbehälter.
Das Anlegen einer Spannung an die Kathode erhitzt sie
und setzt Elektronen frei.
Wenn die Anode eine etwas höhere positive Spannung hat,
werden die Elektronen von ihr angezogen
und der Stromkreis schließt sich.
Dieser einfachgerichtete Stromfluss könnte durch Verändern der Spannung
an der Kathode gesteuert werden,
wodurch mehr oder weniger Elektronen freigesetzt werden.
Die nächste Stufe war die Triode,
die eine dritte Elektrode, das "Gitter", einsetzt.
Das ist ein Drahtgitter zwischen der Kathode und Anode
durch das Elektronen durchfließen.
Die Veränderung der Spannung lässt die Elektronen,
die die Kathode freisetzt, entweder abstoßen oder anziehen.
Damit wird die schnelle Umschaltung des Stroms möglich.
Auch die Fähigkeit, Signale zu verstärken, macht die Triode für das Radio
und die Fernkommunikation sehr wichtig.
Aber trotz dieser Fortschritte
waren Vakuumröhren unzuverlässig und sperrig.
Mit 18 000 Trioden hatte ENIAC etwa die Größe eines Tennisplatzes
und wog 30 Tonnen.
Jeden 2. Tag versagten Röhren
und in einer Stunde verbrauchte er den Strom für 15 Häuser an einem Tag.
Die Lösung war der Transistor.
Statt Elektroden benutzt er einen Halbleiter wie Silizium,
das mit verschiedenen Elementen behandelt wird,
um einen elektronenfreisetzenden N-Typ
und einen P-Typ, der Elektronen absorbiert, zu erzeugen.
Diese sind auf drei Schichten, die sich abwechseln, verteilt
und jede hat eine Anschlussklemme.
Der Emitter, die Basis und der Kollektor.
Bei diesem typischen N-P-N-Transistor,
bildet sich infolge gewisser Phänomene an der P-N-Schnittstelle
ein spezielles Gebiet namens P-N-Übergang zwischen dem Emitter und der Basis.
Nur es leitet Elektrizität,
wenn eine Spannung angelegt wird, die eine gewisse Schwelle überschreitet.
Andernfalls bleibt er abgeschaltet.
Auf diese Weise können kleine Änderungen der Eingangsspannung eingesetzt werden,
um schnell zwischen hohen und niedrigen Ausgangsstromstärken zu wechseln.
Der Vorteil des Transistors liegt in seiner Leistungsfähigkeit und Kompaktheit.
Weil sie kein Anwärmen benötigen, sind sie haltbarer und brauchen weniger Strom.
Die Funktionalität von ENIAC kann heute durch einen fingernagelgroßen Mikrochip
mit Milliarden Transistoren übertroffen werden.
Durch Millionen und Abermillionen Berechnungen pro Sekunde
erscheinen heutige Computer so, als würden sie Wunder vollbringen.
aber unter all dem, ist jede einzelne Operation
immer noch so einfach wie das Umlegen eines Schalters.