Среди важнейших технологических достижений, освоенных Востоком раньше Европы, обычно принято упоминать «четыре великих открытия Китая»: бумагу, книгопечатание, порох и, конечно же, компас. Точную дату рождения компаса на основе намагниченной иглы по естественным причинам установить уже невозможно. Однако достоверно известно, что с необычными магнитными свойствами железа – как правило самородного происхождения – в Китае начали экспериментировать по меньшей мере две тысячи лет назад.

О том, что многие из магнитных самородков имели метеоритное происхождение, стало известно значительно позднее. Но, возвращаясь к истории европейской науки, нельзя не отметить, что исследование метеоритов было второй главной страстью Эрнста Хладни. Который в памяти последующих поколений остался не только в качестве родоначальника акустики, но и как отец новой науки метеоритики. До появления исследовательских работ Хладни, весьма логичных в аргументах и революционных в своих выводах, ученые Европы в массе своей вообще не признавали, что из космоса на землю могут падать камни. Ибо к концу XVIII века авторитет ньютоновых законов в науке был уже непоколебим, а согласно Ньютону – как считалось – между движущимися в космосе планетами и звездами находится пустое пространство, где никаких камней быть не должно.

Первую статью с идеей о космическом происхождении сильно оплавленных камней, нередко содержащих железо, Хладни опубликовал в 1794 году. В целом же, за последующие 30 лет ученый подготовил в этой области свыше полусотни работ, включая несколько каталогов с историческими свидетельствами о падении метеоритов в разные эпохи. В итоге хладниева теория о «метеорных камнях» как о мелких осколках больших событий, происходящих в космосе, довольно быстро обрела сторонников поначалу среди астрономов и физиков, а затем и среди минералогов.

Было бы сильным преувеличением говорить, будто правильное разрешение Эрнстом Хладни загадки о метеоритах с их магнитных свойствами повлияло на прогресс в исследованиях электромагнетизма. Но с другой стороны, совершенно точно известно, что еще один великий самоучка, англичанин Майкл Фарадей, был чрезвычайно впечатлен акустическими экспериментами с фигурами Хладни. Ибо в этих устойчивых волновых формах он усматривал явные аналогии и объяснения тем феноменам, что наблюдались в опытах с электричеством и магнетизмом.[1]

*

Важнейшее открытие Фарадея – явление электромагнитной индукции – было сделано, как все знают из учебников, в 1831 году. Значительно меньше известно, что в этот же год ученый интенсивно изучал физику звука. В частности, его интересовали механизмы образования устойчивых статичных структур в результате динамического, постоянно меняющегося воздействия волн. Интуиция говорила Фарадею, что металлические опилки, рассыпанные по листу бумаги над электромагнитом и складывающиеся в характерный узор силовых линий, управляются примерно той же физикой волн, что и фигуры Хладни. В ходе собственных опытов им были открыты так называемые «волны Фарадея» – стоячие волны в форме регулярных решеток из полос, шестиугольников или квадратов, образующихся в вертикально вибрирующей жидкости. Отвлекаясь чуть в сторону, можно заметить, что в такой же, по сути дела, экспериментальной установке спустя полтора века будут открыты осциллоны в гранулированной среде.

В опытах же с фигурами Хладни особый интерес Фарадея вызывало явление акустической индукции. То есть когда смычком возбуждали одну, чистую металлическую пластину, а рассыпанный песок начинал вибрировать и формировать фигуры на другой пластине, расположенной поблизости. Нечто очень похожее, по убеждению ученого, должно было происходить при экспериментах с электрическими контурами и магнитами.

То, что ток в проводнике отклоняет магнитную стрелку, было известно уже около 10 лет из опытов датчанина Ханса Эрстеда. Однако заставить течь ток в контуре, находящемся рядом с другим проводником под током, пока не удавалось никому. Собственные эксперименты Фарадея с двумя проводами, спирально намотанными на деревянную основу, тоже не дали почти никакого результата. Кроме, разве что, чуть заметного вздрагивания стрелки гальванометра во вторичной цепи, когда включали ток в первичной обмотке. И вот тут Фарадею пришла в голову блестящая идея – намотать изолированные провода на противоположные половины массивного железного кольца. Дабы оно выступало в качестве общего сердечника электромагнита и усиливало индуктивное воздействие одной обмотки на другую. Начиная свой великий опыт 29 августа 1831 года, Фарадей вряд ли мог предположить, что это кольцо, прочно прикрепленное им к обычному стулу, в XXI веке будут демонстрировать посетителям британского Королевского института как памятную реликвию или важный музейный экспонат.

Планируя эксперимент, Фарадей ожидал, что при замыкании цепи в первой обмотке будет порождена «электро-тоническая волна» (концепции «поля» тогда еще не было), и эта волна должна себя проявлять как отклонение стрелки гальванометра во второй цепи. Он замкнул первый контур и с глубоким удовлетворением отметил, что стрелка гальванометра не просто отклонилась, а завертелась, сделав несколько оборотов. Значит, ток во второй обмотке действительно удалось индуцировать. Но вот чего Фарадей совершенно не ожидал так это последующего сюрприза. Выключив ток, он был поражен, увидев, что стрелка гальванометра с той же интенсивностью скакнула и закрутилась в противоположном направлении. Иначе говоря, выходило, что при размыкании первичной цепи во вторичной обмотке также порождался индукционный ток, равный и противоположный по направлению исходному.

**

Открытие электромагнитной индукции предоставило Фарадею столь богатый материал для дальнейших экспериментов, что в течение нескольких последующих лет им были обнаружены и продемонстрированы многие важнейшие принципы, поначалу легшие в основу электромоторов и динамо-машин, а затем и радиоэлектроники. Своеобразный итог этой череде великих открытий был подведен в 1845 году, когда исследователь после долгих поисков сумел-таки продемонстрировать давно подозревавшееся им взаимодействие магнетизма и света – в явлении, носящем сегодня имя «эффект Фарадея». Суть этого феномена в том, что плоскость поляризации света можно вращать, в надлежащем направлении воздействуя на среду магнитным полем.

Ровно столетие спустя, в 1945 году произошло другое событие, несомненно важное для развития темы о Китае, магнитах и кольцах памяти. В этот год из Шанхая в Америку перебрался молодой и талантливый китайский инженер Ан Ванг (1920-1990), специализировавшийся на электронике. После окончания аспирантуры Гарварда и защиты диссертации, Ванг остался работать в совсем новой по тем временам компьютерной лаборатории университета. Где вместе с давним однокашником еще по учебе в Китае, Вэй-Донгом Ву, они изобрели в 1949 году очень важную для вычислительной электроники технологию, названную авторами «устройство управления передачей импульсов».[2]

Важность технологии была в том, что она открывала дорогу к созданию сравнительно быстрой, емкой и удобной компьютерной памяти на основе ферритовых сердечников, то есть миниатюрных колец из ферромагнитного керамического материала. Привлекательные свойства ферритовых сердечников – намагничиваться под действием тока в расположенном рядом проводнике и сохранять намагниченность сколь угодно долго – были известны уже давно. И естественным образом привлекали интерес инженеров-конструкторов, в 1940-е годы энергично экспериментировавших с самыми разными технологиями в поисках эффективного решения для электронной памяти компьютера.

Ферритовый сердечник без проблем перемагничивался небольшим током в проводе, проходящем через кольцо, так что намагниченность по часовой стрелке можно было считать двоичной 1, а намагниченность в обратном направлении – двоичным 0. Другой провод, пропущенный через кольцо, мог эту информацию считывать. Главная же проблема была в том, что операция считывания всегда оказывалась деструктивной – понять, как именно кольцо намагничено, можно было лишь другой операцией перемагничивания, уничтожающей прежнее значение. Ну а разработка Ванга (его друг Ву по болезни вскоре отошел от дел) проблему снимала. Новое устройство позволяло организовать импульсы считывания-записи сердечников таким образом, что информацию в памяти можно было сохранять.

***

Изобретение китайцев, правда, в Гарварде оказалось не ко двору, поскольку компьютерные исследования там вскоре свернули. Но зато устройство оказалось очень кстати в другом научном центре, Массачусетском технологическом институте, где как раз в это время – на рубеже 1940-1950-х годов – создавали воистину новаторский компьютер по заказу Военно-морских сил США. В отличие от всех предыдущих вычислительных машин, строившихся под решение конкретной проблемы, в новом компьютере новые задачи можно было загружать извне через программы, что обеспечивало универсальность системы. Компьютер мог не только обсчитывать заранее заготовленные данные, но и обрабатывать их в реальном масштабе времени, гибко реагируя на разную входную информацию. Для представления же результатов на выходе здесь впервые был применен видеодисплей.

Столь выдающаяся система получила, что надо отметить особо, название Whirlwind (Вихрь) и по мнению специалистов именно ее можно считать прообразом всех современных универсальных компьютеров. Впервые запущенный в работу в 1951 году на основе ламповой памяти, Whirlwind подвергли существенной модернизации в 1953. Вместо громоздкой и постоянно перегревающейся памяти на электронных лампах в новой машине установили еще одну новинку – матрицы памяти на ферритовых сердечниках. Благодаря этому быстродействие системы повысилось примерно вдвое, что сделало Whirlwind одним из самых быстрых компьютеров своего времени.

К началу 1960-х годов матрицы быстрой памяти на сердечниках удалось сделать дешевыми настолько, что они понемногу вытеснили остальных конкурентов и стали главной технологией памяти в компьютерах. Это доминирование продолжалось примерно полтора десятилетия, до тех пор, пока на смену ферритовым сердечникам в 1970-е не пришли модули памяти на основе полупроводниковых микросхем. Среди примечательных особенностей памяти на ферритовых сердечниках было то, что одним из важных факторов в быстром удешевлении технологии было постоянное уменьшение размеров ферромагнитных колец. Если в 1950-е годы диаметр кольца обычно составлял несколько миллиметров, то к началу 1980-х колечки имели столь микроскопический размер, что были уже почти невидимы для невооруженного глаза.

Можно сказать, что прогресс этих элементов памяти развивался по закону Мура еще до того, как данный закон был сформулирован для полупроводниковых схем в середине 1960-х. Согласно этому эмпирически выведенному правилу Гордона Мура, число транзисторов на единице площади схемы удваивается примерно каждые 18 месяцев. За полувековую историю закон Мура доказал свою справедливость не только для микропроцессоров, но также для чипов памяти, и – что особо примечательно – для памяти на жестких магнитных дисках. Где ячейками для хранения битов информации служат микроскопические магнитные домены, а перезапись битов сводится к перемагничиванию крошечных магнитных вихрей в этих доменах – как и в ферритовых кольцах на заре компьютерной техники.

[1] John Tyndall, «Faraday as a Discoverer», the fifth edition, 1893
[2] An Wang, «Pulse transfer controlling device», U.S. Patent # 2 708 722, filed October 1949, issued May 1955