Можно ли собрать триггер, счётчик и генератор без единой подвижной детали?

Можно. Сигналом будет струя воздуха, а памятью — то, к какой стенке она прилипла.

Струя, которая помнит

Возьмите плоскую камеру с соплом посередине и двумя выходными каналами. Пустите через сопло струю воздуха.

Струя не пойдёт посередине. Она прилипнет к одной из боковых стенок — к какой именно, решит случайность. Это эффект Коанда: струя увлекает воздух с боков, у ближней стенки давление падает, и струю прижимает к ней. Прижавшись, она остаётся там сколь угодно долго.

Теперь подайте сбоку слабый управляющий импульс. Струя оторвётся от стенки, перекинется на противоположную — и останется на ней после того, как управляющий сигнал исчезнет.

Вот и всё. Перед вами триггер: два устойчивых состояния, переключение слабым сигналом, сохранение состояния без питания управляющей цепи. Подвижных частей — ноль. Из деталей — только полости, отфрезерованные в пластине.

Память здесь хранится не в положении детали, а в состоянии процесса.

Из чего собирается вся логика

На этом принципе строится полный набор элементов.

Усилитель. Слабая управляющая струя отклоняет мощную силовую. Коэффициент усиления по мощности доходит до ста.

Логические элементы. Отклонение струи между выходами даёт «И», «ИЛИ», «НЕ» — в зависимости от того, как соединены каналы.

Триггер и счётчик. Бистабильный элемент, описанный выше, плюс цепочка таких же.

Генератор. Заведите часть выходного потока обратно на управляющий вход через канал определённой длины — струя начнёт перекидываться сама. Частота задаётся длиной канала обратной связи, то есть временем пробега сигнала.

Дальше — счётчики, регистры, аналоговые сумматоры, датчики. В 1960-е из этих кубиков собирали целые системы управления и всерьёз обсуждали струйные вычислительные машины.

Из мыла, линолеума и дерева

Начало положил Билли Хортон в 1957 году в Лаборатории Гарри Даймонда — армейском исследовательском центре под Вашингтоном. Он заметил, что поток дымовых газов можно отклонять другим потоком, и сформулировал общую мысль: усиление достижимо взаимодействием струй.

В 1959-м Хортон вместе с Реймондом Уорреном и Роналдом Боулзом построил семейство работающих вихревых усилителей — буквально из мыла, линолеума и дерева. Публикация произвела впечатление, и на десятилетие с лишним возникла целая отрасль со своим журналом, симпозиумами и корпоративными программами.

Почему проиграли

Струйная логика не выдержала конкуренции с полупроводниковой, и причина этого поучительнее самой техники.

Дело не в том, что струйные элементы плохи. Дело в потолке, который у них есть, а у транзистора в те годы не было.

Время переключения струйного элемента примерно равно времени пролёта струи через камеру: длина камеры, делённая на скорость струи. При камере в миллиметр и скорости порядка сотен метров в секунду это микросекунды — то есть теоретический предел лежит в области сотен килогерц. Реальные пропорциональные элементы работают в полосе порядка сотен герц.

Но главное — масштабирование работает против. Уменьшая транзистор, мы делаем его быстрее и дешевле. Уменьшая струйный элемент, мы попадаем в область, где вязкость съедает инерцию: течение ламинаризуется, струя перестаёт прилипать, усиление падает. Ширина сопла ниже десятых долей миллиметра уже проблема.

Электроника за тридцать лет ушла на девять порядков по быстродействию и на столько же по цене элемента. Струйная логика не могла сдвинуться и на два.

Формулировка, которую стоит запомнить: сильное решение проиграло не по собственным характеристикам, а по темпу развития соседней отрасли. Оно осталось ровно таким же хорошим, каким было; изменился фон.

Где выигрывают до сих пор

Ниша определяется не преимуществами струйной логики, а условиями, в которых конкурирующая технология не работает.

Ионизирующее излучение. Полупроводник деградирует, струя — нет. На предприятиях переработки ядерного топлива применяют вихревые усилители и струйные насосы: в «горячей» камере не остаётся ничего, что могло бы сломаться и потребовать ремонта руками.

Высокая температура. Там, где электроника требует охлаждения, металлическая пластина с каналами работает как есть.

Взрывоопасная среда. Нет искры, нет электричества, нет требований по искробезопасности.

Мощные электромагнитные помехи. Струе безразличны наводки и импульс.

Медицина. Клапаны без подвижных частей в наркозных и дыхательных аппаратах — заодно ничего не изнашивается и легко стерилизуется.

Расходомеры. Струйный генератор, частота которого пропорциональна расходу: прибор без движущихся частей, не боящийся загрязнений.

Массовый выживший

А теперь ирония.

Самое массовое применение струйной автоматики — не системы управления ракетами и не вычислительные машины. Это форсунка стеклоомывателя в автомобиле.

Внутри неё стоит струйный генератор: струя перекидывается между стенками сотни раз в секунду и качается веером по стеклу вместо того, чтобы бить в одну точку. Никакой механики, деталь отливается за копейки, забиться ей почти нечем.

Честный счёт

Медленно. Сотни герц против гигагерц. Для логики это приговор.

Не масштабируется вниз. Вязкость ставит предел размеру элемента, а с ним и плотности компоновки.

Расходует рабочее тело. Элемент потребляет поток постоянно, а не только при переключении. Схема из сотни элементов требует компрессора.

Чувствительна к среде. Загрязнение, влага, изменение плотности и температуры газа сдвигают характеристики.

Шумит. Струи в камерах — источник заметного акустического шума.

Требует чистого газа. Каналы в десятые доли миллиметра забиваются.

Что здесь сработало

Память как состояние процесса. Устойчивое прилипание струи вместо положения детали.

Свёртывание до полостей. Элемент состоит из пустот, а не из деталей.

Управление слабым сильного. Маломощная струя переключает мощную.

Обратная связь через геометрию. Частота генератора задаётся длиной канала.

Ниша по признаку отсутствия конкурента. Радиация, температура, взрывоопасность, помехи.

Итог

В 1960-е из струй воздуха собирали счётчики и всерьёз проектировали вычислительные машины. Сегодня тот же элемент качает воду по вашему лобовому стеклу — и это, если задуматься, вовсе не поражение.

А суть умещается в одну фразу:

Память не обязана быть деталью: достаточно процесса, у которого есть два устойчивых состояния.