Drát, který přepíná jiný drát

Tohle je druhý díl série Jak funguje počítač. Od jediného drátu v ní poskládáme celý počítač a skončíme u toho, proč provoz umělé inteligence stojí, co stojí. Každý díl vysvětlí jednu věc a staví na předchozím.

Minule jsme skončili u drátů, kterými se dá zapsat libovolné číslo. Osm drátů vedle sebe unese čísla do 255 a každý další ten rozsah zdvojnásobí. Zbývala jediná otázka: kdo ty dráty přepne. Prst na to nestačí, protože počítač jich potřebuje přepnout mnohem víc a mnohem rychleji, než kdokoli zvládne.

Odpověď je slyšet při každém startování auta. Otočíte klíčkem, něco pod kapotou cvakne a teprve potom se motor roztočí. To cvaknutí není startér. Je to součástka mezi klíčkem a startérem.

Startér si bere proud, který by tenký drát u volantu spálil. Vést ho přes klíček by znamenalo natáhnout do kabiny kabel tlustý jako palec a pak ho přerušit kontaktem, který by při každém startu jiskřil. Nikdo to tak nedělá. Klíčkem jde slabý proud do součástky, která teprve sepne ten silný okruh.

Totéž cvaknutí uslyšíte z pračky ve chvíli, kdy se začne ohřívat voda. Řídicí deska pracuje s drobnými proudy, ale topné těleso si bere zhruba tolik co varná konvice, a to by jejími obvody neprošlo.

Zmáčkněte tlačítko. Všimněte si, že tlačítkem neteče proud do žárovky, jen do cívky.

Té součástce se říká relé a vymyslela ji telegrafie dávno před počítači. Signál po dlouhém drátu cestou zeslábne, takže na konci už nestačí nic rozhýbat. Relé ho přečte a místo něj pošle dál čerstvý, silný signál z vlastního zdroje. Odtud to jméno: relé je ve francouzštině přepřahací stanice, kde poslu dali odpočatého koně.

Uvnitř je docela obyčejná mechanika. Cívka, do které pustíte slabý proud, se stane magnetem a přitáhne plíšek. Plíšek dosedne na kontakt a tím uzavře druhý okruh, se kterým cívka nemá nic společného. Pustíte tlačítko, magnet zmizí, pružina plíšek odklopí.

Nezáleží na tom, jak je relé udělané. Důležité je, co umí: sepnout vypínač elektřinou místo prstem. Vypínač z minulého dílu potřeboval ruku. Relé potřebuje drát.

Všimněte si, že oba okruhy spolu nejsou nijak propojené. Proud z tlačítka se do žárovky nikdy nedostane, jde celý do cívky. Relé mezi nimi nepředává elektřinu, předává rozhodnutí.

Tím se mění, co všechno může o okruhu rozhodovat. Vypínač potřebuje někoho, kdo u něj stojí. Relé potřebuje jen drát, po kterém přijde jednička — a je mu jedno, odkud ta jednička je.

A protože ten ovládací drát může přijít odkudkoli, může přijít i z jiného relé.

Bez pohyblivých částí

Přepněte řídicí drát. Všimněte si, kudy do žárovky přiteče proud, až tranzistor propustí.

Tohle je tranzistor. Dělá přesně to, co relé, a liší se jediným, zato zásadním způsobem: nemá uvnitř nic, co by se muselo pohnout. Žádný plíšek, žádná pružina, žádné cvaknutí.

Má tři dráty. Jedním přichází proud, druhým odchází a třetí rozhoduje, jestli se tudy projde. Tomu třetímu budu v celé sérii říkat řídicí drát. Když je na něm nula, tranzistor nepropustí. Když je na něm jednička, propustí.

Je to tedy přesně to rozdělení roli, které mělo relé. Cívku nahradil řídicí drát, plíšek s kontaktem nahradilo něco, co se nehýbe, a chování zůstalo stejné.

Co se uvnitř děje, tahle série vysvětlovat nebude. Vedlo by to k polovodičům, příměsím a chování elektronů na rozhraní dvou vrstev, což je samo o sobě na několik článků a k pochopení počítače to nepotřebujete. Stačí ta jedna věta: drát rozhoduje, jestli jiný drát propouští.

Tranzistor poprvé fungoval 16. prosince 1947 v Bellových laboratořích, kde ho sestavili John Bardeen a Walter Brattain. Za týden ho předvedli vedení. Trvalo pak ještě roky, než se z laboratorního kusu stala věc, která jde vyrábět po milionech.

Uživil se nejdřív v naslouchátku. Sonotone 1010 z konce roku 1952 byl první prodávaný výrobek s tranzistorem, i když v něm byl jediný a zbytek obstarávaly dvě miniaturní elektronky. Důvod byl prozaický: tranzistor spotřeboval tak málo, že baterie vydržela podstatně déle. Celotranzistorové rádio Regency TR-1 přišlo až o dva roky později. Stálo 49,95 dolaru, což tehdy nebylo málo, a přesto se ho prodalo přes sto tisíc kusů.

Když zmizela mechanika, zmizely s ní i všechny její potíže naráz. Není co opotřebit, protože se nic netře. Není co zaseknout, protože se nic nehýbe. Kontakty nejiskří, protože žádné nejsou. Tranzistor se nerozbije tím, že by moc pracoval, a běžný čip tak odpracuje roky nepřetržitého přepínání bez jediné poruchy.

Výstup jednoho řídí další

Výstup tranzistoru je obyčejný drát. Nerozezná se od drátu, který vede od vypínače nebo z baterie. A řídicí drát jiného tranzistoru je taky obyčejný drát. Nic tedy nebrání tomu, spojit je.

Zapněte vstup a pak klikejte na Krok. Každý tranzistor má vlastní zdroj; sledujte, co z prvního doopravdy přijde do druhého.

Druhý tranzistor v té animaci nepřepnul prst. Přepnul ho první tranzistor.

Signál se přitom po cestě neztrácí. Žádný tranzistor neposílá dál proud, který dostal; jen otevře cestu proudu z vlastního zdroje. Je to tentýž trik, kterým relé v telegrafu napravovalo zeslábnutý signál, a díky němu může být řetěz libovolně dlouhý.

Zní to banálně, ale je to celý rozdíl mezi součástkou a strojem.

Zkuste si představit, že by to neplatilo. Kdyby se tranzistor dal ovládat jenom prstem, páčkou nebo klíčkem, byl by to pořád jen lepší vypínač a počítač by z něj nikdy nevznikl. Řetěz by se přerušil hned za prvním článkem, protože na konci by musel vždycky stát člověk a čekat, až na něj přijde řada.

Tím, že ovládající i ovládané je totéž, totiž drát, se řetěz nemá kde zastavit. Tranzistor může řídit další, ten další zase další a celé to může běžet samo, dokud je kam zapojovat.

Jeden výstup navíc nemusí řídit jediný tranzistor. Může se rozvětvit a ovládat jich několik najednou. Jen je potřeba hlídat, kolik jich na jeden drát pověsíte, protože každý si z něj ukousne kus proudu a od určitého počtu už by signál nestačil.

Všimněte si, že k tomu nebylo potřeba nic chytrého. Nikdo tranzistoru nemusel vysvětlit, co je číslo nebo co je rozhodnutí. Stačilo, že výstup vypadá stejně jako vstup, takže se dají spojovat do řetězu.

Kolik se jich vejde

Tranzistor má ještě druhou velkou přednost: dá se zmenšovat. Bez toho by zůstal jen tichou náhradou relé.

Relé je kus plechu a cívky, takže ho zmenšíte jen po jistou mez. Tranzistor žádnou pohyblivou část nemá, a tak se zmenšovat dá dál a dál. Z laboratorního kusu z roku 1947, který se dal vzít do ruky, se postupně stala struktura menší než vlnová délka světla.

Zároveň zmizelo to cvaknutí. Relé musí pohnout hmotou, což trvá tisíciny vteřiny. Tranzistor jen přestane nebo začne propouštět, a protože se u toho nic nerozjíždí ani nezastavuje, zvládne to mnohonásobně častěji.

Z3 měl 2 600 relé, zabral kus místnosti a dělal pět kroků za vteřinu. Apple u čipu M3 Ultra, představeného v roce 2025, uvádí 184 miliard tranzistorů.

Mezi oběma stroji není rozdíl v nápadu. Z3 i dnešní procesor stojí na témže: na vypínači, který ovládá jiný vypínač. Rozdíl je v tom, kolikrát se ten nápad dal zopakovat.

Zopakovat se dal proto, že se tranzistory nevyrábějí po kusech. Nevznikají jeden po druhém jako relé, která se musela zapojit a přišroubovat; vzor se do křemíkové destičky přenáší po vrstvách a v jednom kroku vznikne celá plocha naráz. Jestli je v tom vzoru milion tranzistorů, nebo miliarda, je z pohledu toho kroku skoro jedno. Zuse musel každé relé koupit, zapojit a občas vyměnit, takže počet součástek byl u Z3 tvrdý strop. U čipu je to otázka toho, jak jemný vzor se do křemíku povede přenést.

Menší tranzistor má navíc méně co nabíjet. Přepne proto rychleji a na jedno přepnutí spotřebuje míň energie, takže každé zmenšení zvedlo počet tranzistorů na čipu, takt i účinnost zároveň.

Jeden tranzistor toho sám moc nesvede. Umí předat rozhodnutí dál a tím to končí.

Zajímavé začne být až to, jak se jich poskládá víc. Dva za sebou propustí jen tehdy, když otevřou oba. Dva vedle sebe stačí otevřít jeden. Pravidlo přitom nikdo nenapsal, vzniklo tím, kudy vedou dráty.

Kolik různých pravidel se takhle dá postavit?