Под катом вы сможете посмотреть и послушать интервью реального изобретателя машины времени — устройства, которое внесло огромный вклад в развитие мировой электроники и техники в целом.

На самом деле это «всего лишь» таймер 555. Но он был и остаётся одной из самых популярных микросхем, мимо которой не пройдёт никто, имеющий отношение к электронике.

Удивительная история этой микросхемы связана с наукой больших данных и компанией IBM. Не обойдётся и без Терминатора. Причём не того, которым оканчивались сегменты коаксиальных локальных сетей.

Часы времени

7 апреля 1896 года в семье американского конгрессмена от республиканской партии Джорджа Уинтропа Фейрчайлда родился мальчик по имени Шерман.


Портрет Джорджа Фейрчайлда работы Джеймса Терри Уайта. The National Cyclopaedia of American Biography, стр. 248, 1910

В этом же году Джордж Фейрчайлд становится инвестором и директором Bundy Manufacturing Company. Эта компания производила механические системы учёта рабочего времени сотрудников со странным названием «time clock» — «часы времени».

Несмотря на компьютеризацию, подобные приборы широко применяются до сих пор. Они представляют собой часы, совмещённые с дыроколом. Каждому работнику выдаётся именная перфокарта, и в начале и конце рабочего дня он проштамповывает её при помощи перфочасов. Думаю, что именно так следует переводить второе название «часов времени» — «punch clock».


Современные электронные перфочасы uPUNCH NH4000 в работе. 1800timeclocks.com

Первый коммерчески успешный образец устройства был сконструирован 20 ноября 1888 года ювелиром из Оберна (штат Нью-Йорк) Уиллардом Банди. Запатентовав изобретение двумя с половиной годами спустя, они с братом Харло организовали Производственную компанию Банди.


Иллюстрация из патента US452894 «Регистратор времени работника» от 26 мая 1891 года

Успех предприятия был столь велик, что с тех пор за перфочасами закрепилось третье и наиболее устоявшееся название — «Bundy clock» («часы Банди»), подобно тому, как мы привыкли называть копировальный аппарат «ксероксом», дупликатор «ризографом», чертёжную доску «кульманом», бесфитильную горелку на жидком топливе «примусом», а автономный аппарат для подводного дыхания — «аквалангом».

Напишите в комментариях, какие ещё имена брендов стали нарицательными для соответствующей категории предметов. Мне вспоминается термин «Кодак» для 35-миллиметровой киноплёнки, используемой в фотоаппаратах, и «Филлипс» (с двумя «л») для крестообразной отвёртки.

Кто изобрёл крестовую отвёртку?

Что интересно, предприниматель Генри Фрэнк Филлипс из города Портленд, штат Орегон, не имеет никакого отношения к нидерландской корпорации «Филипс», продукция которой присутствует, наверное, в каждом доме.


Фотопортрет Генри Филлипса. Википедия

Более того, Филлипс не изобретал инновационный самоцентрирующий шлиц и отвёртку к нему, зато выкупил патент у изобретателя Джона Томпсона, разработал технологию производства и посодействовал внедрению гениальной разработки в компании «Дженерал Моторс», которая стала применять её при сборке автомобилей «Кадиллак».


Шуруп с крестообразным шлицем. Иллюстрация к патенту US1908080A от 9 мая 1933 года

Кто-то посчитает, что это несправедливо. Но довести мысль до практического воплощения и продвинуть её в массы — свершение ничуть не менее важное, чем рождение самой идеи.

Поэтому мир знает отвёртку Томпсона под именем Генри Фрэнка Филлипса из города Портленд. Который, в свою очередь не имеет никакого отношения к портландцементу. Последний получил такое название потому, что внешний вид бетонных изделий на его основе напоминает известняк с острова Портленд в проливе Ла-Манш.


Замок Портленд, построенный из местного известняка. Википедия

Алгебра против гармонии

Итак, «часы времени» стали мировыми бестселлерами, дожили до наших дней, и постепенно обзавелись новым полезным функционалом. В 1979 году перфочасы компании «Кронос» впервые подключили к вычислительной сети.

Нашлись люди, которых такое нововведение испугало, и опасения насчёт начинающейся цифровой слежки за людьми стали предметом дискуссий.

В оригинальном сценарии «Терминатора» действие начинается с пролога, не вошедшего в финальную версию фильма.

Владельцы лос-анджелесского кафе «Big Jeff's», где подрабатывала официанткой 19-летняя студентка Сара Коннор, решили внедрить компьютеризованную систему учёта рабочего времени сотрудников как раз перед всеми событиями с Кайлом Ризом и киборгом Т-800.

Это был прозрачный намёк на небезосновательные опасения: каковы будут последствия, если бездушная машина начинает обретать власть над живыми людьми? Тема противостояния человека и машины, души и науки, творчества и алгоритма, Моцарта и Сальери волнует людей уже много веков. А в реальной истории человечества точная наука и основанные на ней технические решения становятся инструментами, помогающими живым людям самовыражаться.

С другой стороны, ограниченность инструментов и методов действительно загоняет творческое восприятие в рамки, но именно в преодолении этих рамок состоит творчество.

Например, музыкальная гармония в её европейском понимании берёт начало не откуда-нибудь, а с трудов математика Пифагора, экспериментировавшего с монохордом.

И как раз Вольфганг Амадей Моцарт, а не его коллега Сальери, увлекался вопросами создания музыки при помощи генератора случайных чисел, функцию которого выполняли игральные кости.


Максимилиан Штадлер. Иллюстрация из «Таблицы для сочинения менуэтов и трио до бесконечности посредством игры в кости», 1790. Википедия

И это ничуть не помешало (хотя далеко не факт, что помогло) великому маэстро сотворить великие произведения, поднявшие всю европейскую музыку на качественно новый уровень.

Получается, что «поверить алгеброй гармонию» можно, а заменить — нельзя. Да и компьютеры функционируют не сами по себе. Они выполняют инструкции, которые заложили в них живые люди.

Её величество Перфокарта

Однако историческая взаимосвязь перфочасов с развитием вычислительной техники прослеживается задолго до 1979 года, когда их впервые подключили к компьютеру на микропроцессоре Zilog Z80.

Девятью десятилетиями ранее компостеры железнодорожных кондукторов вдохновили не только обернского ювелира Банди на создание регистратора рабочего времени. Это были продвинутые компостеры, отличавшиеся от привычных с детства для тех из нас, кто постарше.

Задачей компостера в советском общественном транспорте было воспроизведение всего одного уникального паттерна из отверстий на билете, чтобы контролёр мог убедиться, что он прокомпостирован именно в данном автобусе, троллейбусе или трамвае. Чтобы изменить паттерн, было необходимо разобрать компостер и переставить штырьки пуансона.

Американские железнодорожные компостеры конца позапрошлого века были устроены гораздо проще, но обладали более продвинутым функционалом. Позиция отверстий в билете обозначала пол и примерный возраст пассажира, на которого он оформлен, что затрудняло попытки воспользоваться чужим проездным документом.


Дырокол кондуктора Железной дороги восточного побережья Флориды. 1900-1920 гг. digitalarchives.broward.org

Уиллард Банди догадался, что штыри пуансона можно приводить в движение от часового механизма, тем самым кодируя время компостирования персональной учётной карточки из плотной бумаги.

Практически одновременно с ним преподаватель машиностроения Массачусетского технологического института Герман Холлерит выдвинул и развил ещё более сенсационную идею.

На тот момент жаккардовому ткацкому станку исполнилось уже более восьмидесяти лет. Это была механическая машина с программным управлением и перфокартами в качестве постоянного запоминающего устройства — носителя памяти программ.

А что, если записать на перфокарту не программу, а числовые данные, и снабдить счётную машину (арифмометр) функцией считывания этих данных с перфокарт? В этом и состояла гениальная идея Германа Холлерита.

Получается значительная экономия трудозатрат и снижение процента ошибок. Раньше один сотрудник должен был записать ручкой на бумаге определённое число в определённой графе. Далее другому сотруднику требовалось прочитать правильное число из правильного места, ввести его в арифмометр и произвести необходимое арифметическое действие. А что, если таких чисел очень много, и нужно ещё и не перепутать одну графу с другой?

Big Data в XIX столетии

Один раз в десять лет в Соединённых Штатах Америки производится перепись населения. Ручная обработка данных десятой переписи 1880 года заняла целых семь, а по данным из других источников — даже восемь лет.

В 1884 году Герман Холлерит уволился из Массачусетского технологического института и устроился на работу в Бюро переписи населения США. Тогда же он подал патентую заявку на «Искусство компиляции статистики». В тексте патента описывался комплекс устройств для ручной записи данных на перфоленту и их последующего считывания посредством электрифицированной машины.


Иллюстрация из патента US395782A от 8 января 1889 года

Благодаря внедрению табуляторов Холлерита, обработка данных переписи 1890 года заняла на целый год меньше, чем десятилетие назад, несмотря на необходимость ручной подачи перфокарт.

Данные считывались матрицей подпружиненных щупов, расположенных над ванночкой с ртутью. Впоследствии были созданы машины для автоматизированной сортировки (ящик с двумя рядами коробочек справа от табулятора на нижеприведённом фото), а затем и автоматической подачи перфокарт.


Реплика табулятора Холлерита образца 1890 года. By Adam Schuster — Flickr: Proto IBM, CC BY 2.0

Далее табуляторы стали получать всё более широкое применение в статистических, бухгалтерских, а затем и научных расчётах. Первыми заказчиками стали, конечно же, крупные компании. Уже в 1896 году несколько табуляторов, освободившихся после завершения обработки данных переписи, арендовала железная дорога.

Рождение IBM

И наконец, в 1911 году Джордж Фейрчайлд вместе с Чарльзом Флинтом осуществляют слияние компаний Банди и Холлерита в Computing-Tabulating-Recording Company (CTR). Фейрчайлд становится её председателем.

16 июня 1924 года CTR переименована в «Международные деловые машины» (International Business Machines Corporation), сокращённо IBM. Впоследствии именно персональные компьютеры IBM произведут настоящую революцию и сделают мир таким, каким он стал сейчас.

31 декабря того же года Джордж Фейрчайлд умер в возрасте 70 лет, оставив 28-летнему сыну Шерману многомиллионное состояние и пакет акций IBM.


Портрет Шермана Фейрчайлда на обложке журнала «Тайм» №4 за 25 июля 1960 года

К тому времени Шерман был уже опытным изобретателем без диплома о высшем образовании, который он не смог получить из-за слабого здоровья. Одним из его первых изобретений был затвор с синхроконтактом для фотовспышки, разработанный в 1915 году.

Первым делом самолёты

Особенно интересовали Шермана аэрофотосъёмка и авиация в целом. В 1920-м году он основал собственную компанию Fairchild Aerial Camera Corporation, а после получения наследства — компанию по производству самолётов Fairchild Aircraft (1925).


Моноплан с верхним расположением крыла Fairchild FC-2. By FlugKerl2 — Own work, CC BY-SA 3.0

Следует отметить, что авиационные успехи братьев Райт заинтересовали компанию CTR в лице Чарльза Флинта с самого начала, и именно Флинт занимался продвижением продаж аэропланов братьев Райт по всему миру.

Путь в электронику

Самолёты Fairchild, изначально предназначавшиеся для аэрофотосъёмки, были гораздо технологичее бипланов пионеров авиации. Неудивительно, что энтузиаст таких передовых отраслей техники, будучи сыном крупнейшего фабриканта электрифицированных счётных машин, имел большой интерес к бурно развивающейся электронике.

В 1944 году Fairchild Aircraft переименована в Fairchild Camera and Instrument Corporation. К тому времени она производила радары, радиокомпасы, рентгеновские аппараты и синхронизаторы для авиационных пулемётов.

Синхронизатор — это устройство, позволяющее стрелять через пропеллер, не задевая его лопастей. Для настройки синхронизатора вместо воздушного винта или вместе с ним устанавливался деревянный диск-мишень, куда попадали пули.

Далее компания достигла успехов в производстве звукозаписывающих кинокамер, где также требовалась синхронизация изображения со звуком, а также типографского оборудования.


8-миллиметровая кинокамера Fairchild Cinephonic Eight. Ebay

И наконец, в 1957 году в калифорнийском городе Сан-Хосе была основана компания по производству полупроводниковых приборов Fairchild Semiconductor. Именно она с первого года основания стала пионером производства кремниевых транзисторов вместо распространённых в те времена германиевых.

Космические микросхемы

В 1964 году Fairchild Semiconductor представили первый интегральный операционный усилитель μA702, а четырьмя годами позднее — знаменитый μA741, производимый и применяемый по сей день.

Бортовые управляющие компьютеры космических аппаратов Аполлон были полностью построены на микросхемах Fairchild, причём это были одинаковые микросхемы сдвоенного трёхвходового логического элемента ИЛИ-НЕ в количестве 2800 штук. В микросхемах использовалась резисторно-транзисторная логика.


Устройство микросхемы бортового компьютера космического аппарата Аполлон. Википедия

Также в программе Аполлон были задействованы специальные камеры производства Fairchild Camera and Instrument Corporation, при помощи которых было сделано более семи тысяч снимков, запечатлевших около 20 процентов лунной поверхности.


Камера Fairchaild для картографирования Луны. Википедия

Рождение Signetics

Однако создание интегральных микросхем в глазах руководства Fairchild Semiconductor не являлось приоритетным. Основным направлением бизнеса стало производство кремниевых транзисторов.

Это были действительно прекрасные транзисторы, и они производятся до сих пор под маркой ON Semiconductor. Так называется компания, которая приобрела Fairchild Semiconductor в сентябре 2016 года.

А в 1961 году четверо талантливых инженеров, будучи несогласными с политикой компании, уволились из Fairchild Semiconductor International и открыли собственную компанию Signal Network Electronics — сокращённо Signetics. Их имена Дэвид Эллисон, Дэвид Джеймс, Лайонел Каттнер и Марк Вейсенштерн.

Именно в Signetics был разработаны NE5532 — «самый музыкальный» операционный усилитель в мире, 82S100 — первая коммерчески успешная микросхема программируемой логики, а также 2650 — микропроцессор, снискавший широчайшее применение в мире ранних видеоигр.

Однако дела компании не всегда шли хорошо. Стратегическое понимание долгосрочной перспективности микросхем — это одно, а тактическая способность стабильно вести бизнес в настоящем — совсем другое. Летом 1970 года на фоне общего экономического кризиса в Соединённых Штатах компании пришлось снизить оплату труда сотрудников вдвое.

Пионер антикризисной удалёнки

Среди этих сотрудников был талантливый инженер Ганс Камензинд, которого наняли в 1968 году с целью разработки прототипа микросхемы фазовой автоматической подстройки частоты. На видео представлено его интервью, сделанное в 2008 году за четыре года до смерти. На момент интервью ему было 74 года.


Камензинд не захотел ходить на работу за половину зарплаты. Вместо этого он предложил Signetics одолжить ему оборудование, чтобы он завершил разработку в своей домашней лаборатории.

Так была разработана микросхема NE566 — управляемый напряжением автогенератор прямоугольных и треугольных импульсов. Из внешней обвязки требуется только один резистор и один конденсатор.


Структурная схема из даташита NE566 от Philips Semiconductors Linear Products

Далее Камензинд предложил разработать более универсальную микросхему, способную выполнять функции не только автогенератора, но и ждущего мультивибратора, RS-триггера или триггера Шмитта.

Разработка финальной версии была завершена в октябре 1971 года. Микросхема получила маркировку NE555. Идею присвоить будущему бестселлеру это красивое число подсказали три резистора по пять килоом, задающие опорные напряжения двух компараторов микросхемы.


Блок-схема таймера 555. Википедия

Маркетинговым слоганом для продвижения продаж инновационного компонента стало название «The IC Time Machine» — «Микросхема машины времени». И это название соответствует действительности.

Высокоточный интегральный таймер NE555, конечно же, не позволяет перемещаться назад во времени. Зато он продвинул технический прогресс в будущее и спас корпорацию Signetics от финансового краха.

Микросхема позволяет получать точно заданные временны́е задержки и, соответственно, выходные сигналы разной частоты и скважности. Это действительно машина времени — электронный таймер.

Лабораторный практикум

Было бы грустно завершать статью про NE555, не собрав на этой прекрасной микросхеме ничего материального. Поэтому предлагаю вашему вниманию красивый световой эффект, использующий NE555 в качестве тактового генератора.


Это самые обычные бегущие огни на декадном счётчике-дешифраторе CD4017.


Схема светового эффекта «бегущие огни»

Чтобы зажигать много параллельных светодиодов с каждого из его выходов, применены транзисторы SS9013. Догадайтесь, какой компанией они разработаны.


Фрагмент первой страницы даташита к транзистору SS9013 от Fairchild Semiconductor

Напишите в комментариях, какие варианты применения таймера 555 вам известны, где вы его встречали, и какие конструкции собирали с его использованием.


НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS