“ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహాన్ని అదుపుచేసే మీటయే (Switch) ట్రయోడ్.”

— డి ఫారెస్ట్

ఈ వ్యాస పరంపరను “మసకబారిన ఎడిసన్ విద్యుద్దీపం” తో మొదలుపెట్టాము. ఎడిసన్ దీపంలో మొదట కనిపించిన ఆ చిన్న విచిత్రాన్ని—వేడెక్కిన ఫిలమెంట్ నుంచి శూన్యంలోకి విద్యుత్తు ప్రవహించడం (Edison Effect)—అర్థం చేసుకోవడానికి విద్యుత్ శాస్త్ర పునాదులతో మొదలెట్టి ఆశాస్త్ర పురోగతిని తెలుసుకున్నాం. వాటిని సంగ్రహంగా గుర్తు చేసుకుందాం.

1600 సంవత్సరంలో విద్యుదయస్కాంతాల మీద “ది మేగ్నెట్” గ్రంథాన్ని ప్రచురించిన గిల్బర్ట్ విజ్ఞానశాస్త్రంలో ప్రయోగాలకు పెద్ద పీట వేశాడు. అతని కాలంలో విద్యుత్తు, అయస్కాంతం వేర్వేరు రహస్యాల్లా కనిపించాయి. 1800 సంవత్సరంలో వోల్టా బ్యాటరీని కనుగొనడంతో స్థిరమైన విద్యుత్తును పుట్టించడం సులభమయింది. ఆ తర్వాత ఓర్‌స్టెడ్ ప్రయోగాల ద్వారా విద్యుత్ ప్రవాహం దిక్సూచి సూదిని ప్రభావితం చేస్తుందని నిరూపించాడు. ఆంపేర్ విద్యుత్ తీగెల మధ్య ఉన్న ఆకర్షణ-వికర్షణలకు ఖచ్చితమైన గణితరూపాన్నిచ్చి, “ఎలెక్ట్రో డైనమిక్స్” రంగానికి నాంది పలికి, “విద్యుత్తులో న్యూటన్” అని పేరు తెచ్చుకున్నాడు. ఫారడే ఎలెక్ట్రిక్ మోటారుని, జనరేటరుని కనుగొనడమే కాక, “తక్షణ దూరక్రియ” (Action at a distance) అనే పాత భావనకు బదులుగా, ఖాళీ స్థలాన్ని నింపే “శక్తి రేఖలు” (Lines of force) అనే కొత్త శాస్త్రీయ దృష్టిని ఇచ్చాడు. మాక్స్‌వెల్ ఆ భావనలను గణిత భాషలో కూర్చి, విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాలను సమీకరణాల ద్వారా ఊహించి, కాంతి కూడా ఒక విద్యుదయస్కాంత తరంగ రూపమేనని స్పష్టం చేశాడు. ఆ తరంగాలను హెర్ట్‌జ్ తన ప్రయోగశాలలో పుట్టిస్తే, మార్కోనీ వాటిని మహాసముద్రాలు దాటించే వైర్‌లెస్ టెక్నాలజీగా మార్చాడు. పందొమ్మిదో శతాబ్దం చివరలో జె. జె. థామ్సన్ విద్యుత్తు అంటే కేవలం ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహమేనని నిరూపిస్తూ పరమాణు అంతర్గత నిర్మాణాన్ని కనిపెట్టాడు.

ఇరవయ్యో శతాబ్దం ఆరంభం ఎలక్ట్రానిక్ యుగానికి ఎలా నాంది పలికిందో, మొదటి తరం కంప్యూటర్లను ఈ విద్యుద్దీపాల లాంటి శూన్య గొట్టాలతో (Vacuum Tubes) ఎలా నిర్మించారో ఈ వ్యాసంలో తెలుసుకుందాం.

జాన్ ఆంబ్రోస్ ఫ్లెమింగ్

జాన్ ఆంబ్రోస్ ఫ్లెమింగ్ (John Ambrose Fleming, 1849 – 1945) 1849 నవంబరు 29న ఇంగ్లాండ్‌లోని లంకాషైర్‌లో పుట్టాడు. చిన్నప్పటి నుండే విజ్ఞానశాస్త్రంపై మక్కువతో లండన్ యూనివర్సిటీలో డిగ్రీ పూర్తి చేసి, కేంబ్రిడ్జ్ లోని ప్రఖ్యాత కావెండిష్ ప్రయోగశాలలో జేమ్స్ క్లర్క్ మాక్స్‌వెల్ పర్యవేక్షణలో పరిశోధనలు చేశాడు.

ఫ్లెమింగ్ కేవలం సిద్ధాంతాలకే పరిమితం కాకుండా, ఆచరణాత్మక అవసరాలను గుర్తించిన ఇంజనీరు. 1882లో లండన్‌లో ఎడిసన్ ఎలక్ట్రిక్ లైట్ కంపెనీకి సాంకేతిక సలహాదారుడిగా పనిచేస్తున్నప్పుడే, “ఎడిసన్ ఎఫెక్ట్” గురించి తెలుసుకున్నాడు. 1899లో మార్కోనీ వైర్‌లెస్ టెలిగ్రాఫ్ సంస్థలో శాస్త్రీయ సలహాదారునిగా చేరి, తన గణిత, ఇంజనీరింగ్ ప్రతిభతో ఆ సంస్థ అభివృద్ధికి తోడ్పడ్డాడు. 1901లో రేడియో తరంగాలని అట్లాంటిక్ సముద్రాన్ని దాటి పంపించిన చారిత్రక ఘట్టంలో, ఇంగ్లాండ్‌లోని పోల్దూ (Poldhu) వద్ద భారీ రేడియో ట్రాన్స్‌మిటర్‌ను, పవర్ ప్లాంట్‌ను రూపొందించిన ఘనత ఫ్లెమింగ్‌దే.

ఆ చారిత్రక విజయంలో తనకు తగిన గుర్తింపు దక్కకపోయినా, ఫ్లెమింగ్ అప్పటి రేడియో రిసీవర్లలో సంకేతాలను పట్టుకోవడానికి వాడే “కోహెరర్” (Coherer) లోని లోపాలను సరిదిద్దడంపై దృష్టి పెట్టాడు. ఎడిసన్ ఎఫెక్ట్‌ను రేడియో టెక్నాలజీకి అన్వయిస్తూ, 1904లో అధిక ఆవృత్తి (Frequency) గల రేడియో ప్రవాహాన్ని ఒకే దిశకు పరిమితం చేసే “ఆసిలేషన్ వాల్వ్” (Oscillation Valve) ను కనుగొన్నాడు. ఇదే ఎలక్ట్రానిక్స్ చరిత్రలో మొదటి వాక్యూమ్ డయోడ్ (Diode). ఇది రేడియో తరంగాలను రెక్టిఫై చేసి, డిటెక్టర్లుగా పనిచేసే వ్యవస్థకు పునాది వేసింది.

జాన్ ఆంబ్రోస్ ఫ్లెమింగ్

మార్కోనీ సంస్థలో ఉద్యోగిగా ఉన్నప్పుడు చేసిన ఆవిష్కరణ కావడంతో, ఆ వాల్వ్ పేటెంట్ హక్కులన్నీ మార్కోనీ కంపెనీకే దక్కాయి. ఆ సంస్థ ఈ పేటెంట్‌ను తన వ్యాపార ప్రత్యర్థులను ఎదిరించడానికి వాడుకుంది. ఎలక్ట్రికల్ కమ్యూనికేషన్ రంగానికి ఫ్లెమింగ్ చేసిన సుదీర్ఘ సేవలకు గుర్తింపుగా బ్రిటిష్ ప్రభుత్వం 1929లో అతనికి “సర్” (Sir) బిరుదుతో గౌరవించింది. 1945 ఏప్రిల్ 18న, తన 95వ ఏట ఫ్లెమింగ్ కన్నుమూశాడు.

ఫ్లెమింగ్ వాల్వ్: రేడియో డిటెక్టర్

రేడియో అనగానే మనుషుల మాటలు, పాటలు వినిపించే సాధనంగా భావిస్తాం. కానీ తొలిరోజుల్లో అందులో మానవ స్వరాన్ని పంపడం సాధ్యం కాలేదు. కేవలం టెలిగ్రాఫ్ తీగెల స్థానంలో గాలిలో ప్రయాణించే వైర్‌లెస్ మోర్స్ సంకేతాలు (చుక్క, గీత ) పంపడానికి మాత్రమే పరిమితమైంది. వాటిని చదవడానికి టెలిఫోన్ హెడ్‌ఫోన్లను రిసీవర్‌కు కలిపే వారు. సిగ్నల్ హెడ్‌ఫోన్లలో “క్లిక్” లేదా “బీప్” శబ్దాలుగా మారితే, ఆపరేటర్లు వాటిని విని మోర్స్ కోడ్‌ను కాగితంపై రాసుకునేవారు. రేడియో తరంగాలను హెడ్‌ఫోన్లలో మనుషులు వినగలిగే శబ్దాలుగా మార్చడంలో రెండు సమస్యలు ఎదురయ్యాయి.

మొదటి సమస్య రేడియో తరంగాలను గుర్తించడానికి వాడే ఇనుప పొడితో నింపిన గాజు గొట్టానికి, “కోహెరర్” (Coherer) కి, సంబంధించినది. సిగ్నల్ రాగానే, ఆ విద్యుదయస్కాంత తరంగాల ప్రభావం వల్ల లోపలి ఇనుప పొడి కణాలు ఒకదానికొకటి దగ్గరగా జరిగి (cohere అయి), తమ గుండా విద్యుత్తుని ప్రవహింపజేసేవి. అది ఫోన్‌ను చేరి శబ్దాన్ని పుట్టించేది. కాని సిగ్నల్ వచ్చి వెళ్ళిపోయినా కూడా ఆ ఇనుప కణాలు అలాగే అతుక్కుపోయి ఉండేవి. తదుపరి సిగ్నల్ ను గుర్తుపట్టాలంటే, ఆ ఇనుప పొడిని మళ్లీ విడగొట్టాలి. అందుకోసం ప్రతి సిగ్నల్ తర్వాత ఒక చిన్న సుత్తితో ఆ గాజు గొట్టాన్ని బయట నుండి కొట్టాల్సి వచ్చేది. ఈ యాంత్రిక (Mechanical) ప్రక్రియ చాలా నెమ్మదిగా కావడాన, వేగంగా వచ్చే మోర్స్ సంకేతాలని అందుకోవడానికి సరిపోయేది కాదు.

రెండవ సమస్య టెలిఫోన్ రిసీవర్ యొక్క భౌతిక అశక్తత. రేడియో తరంగాలు అత్యంత వేగంగా,సెకనుకు లక్షలాది సార్లు, దిశలు మార్చుకునే ఆల్టర్నేటింగ్ కరెంట్ (AC) రూపంలో ఉంటాయి. టెలిఫోన్ హెడ్‌ఫోన్ లోపల ఓ ఇనుప రేకు, ఓ విద్యుదయస్కాంతం ఉంటాయి. సిగ్నల్ ధనాత్మకం అయినప్పుడు ఆ రేకు ముందుకు, రుణాత్మకం అయినప్పుడు వెనక్కు కదలాలి. కానీ, సెకనుకు లక్షల సార్లు ధనరుణాలగా మారిపోతుంటే, ఆ ఇనుప రేకు తన జడత్వం (inertia) వల్ల అంత వేగంగా కదల్లేదు. పైగా, ఒక ధనాత్మక తరంగం ఎంత బలంగా రేకును ముందుకు లాగుతుందో, వెనువెంటనే వచ్చే రుణాత్మక తరంగం అంతే బలంగా వెనక్కు నెడుతుంది. ఫలితంగా ఒకదాని ప్రభావం ఇంకొకటి రద్దు చేసుకొని, సగటు విద్యుత్తు విలువ శూన్యంగా మారి, హెడ్‌ఫోన్ లోపల ఎలాంటి కదలిక లేక నిశ్శబ్దం ఆవరిస్తుంది.

ఈ రెండు సమస్యలనీ “ఎడిసన్ ఎఫెక్ట్” ఆధారంగా ఫ్లెమింగ్ వాక్యూమ్ డయోడ్ తో పరిష్కరించాడు.

ఫ్లెమింగ్ వాల్వ్ – డయోడ్

శూన్యంతో నిండిన గాజు గొట్టం లోపల రెండు ఎలక్ట్రోడ్‌లు ఉంటాయి: 1) బ్యాటరీతో కలపడాన వేడి అయే ఫిలమెంట్/కాథోడ్ (Filament/Cathode). 2) దానికి ఎదురుగా యాంటెన్నా (Antenna) తో కలిపిన లోహపు రేకు – ప్లేట్/ఆనోడ్ (Plate/Anode).

ఫిలమెంట్ వేడెక్కినప్పుడు దాని నుండి ఎలక్ట్రాన్లు శూన్యంలోకి విడుదలవుతాయి. రేడియో సంకేతం (Input signal) వల్ల ఎదురుగా ఉన్న ప్లేట్ విద్యుత్ స్థితి మారుతుంది. సంకేతం ధన రూపంలో ఉన్నప్పుడు, ప్లేట్ ధనాత్మకంగా మారి కాథోడ్ నుండి వచ్చే ఎలక్ట్రాన్లను బలంగా ఆకర్షిస్తుంది. ఫలితంగా గాజు గొట్టంలో ఎడమ నుండి కుడికి ఒక స్థిరమైన ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహం ఏర్పడుతుంది. సంకేతం రుణ రూపానికి మారినప్పుడు, ప్లేట్ రుణాత్మకమయి, ఎలక్ట్రాన్లను వికర్షించడంతో ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహం నిలిచిపోతుంది.

పైపులో నీరు ఒకే దిశలో ప్రవహించేలా చేసే యాంత్రిక వాల్వ్ లాగే, ఈ గాజు బుడ్డి కూడా కేవలం ధనాత్మక స్థితిలో మాత్రమే విద్యుత్తును అనుమతించే ఏకముఖ “వాల్వ్” లా పనిచేస్తుందని ఫ్లెమింగ్ గుర్తించాడు. దీనినే రెక్టిఫికేషన్ (Rectification) అంటారు.

దీని వల్ల విద్యుత్తు సగటు విలువ శూన్యం కాకుండా ధనాత్మక మయి, రేడియో తరంగాలు అత్యంత వేగంగా మారినప్పటికీ, హెడ్‌ఫోన్ లోని ఇనుప రేకు తన జడత్వం వల్ల అంత వేగంగా స్పందించకపోయినా, సగటు మార్పుల తీవ్రతకు లోనై కదులుతుంది. సంకేతాలు హెడ్‌ఫోన్లలో స్పష్టమైన “బీప్” లేదా “క్లిక్” ధ్వనిగా ఆపరేటర్‌కు వినిపిస్తాయి.

ఈ డిటెక్షన్ ప్రక్రియ అంతా గాజు గొట్టం లోపల కంటికి కనిపించని ఎలక్ట్రాన్ల చలనం వలనే. పాత కోహెరర్ పరికరంలో లాగా ఇనుప పొడి అతుక్కోవడం, దానిని యాంత్రిక సుత్తితో కొట్టి విడగొట్టడం లాంటి వేవీ ఇక్కడ లేవు.

డయోడ్‌తో రెక్టిఫికేషన్

లీ డీ ఫారెస్ట్

లీ డీ ఫారెస్ట్ (Lee De Forest, 1873 – 1961) అమెరికాలోని అయోవా (Iowa) రాష్ట్రంలోని కౌన్సిల్ బ్లఫ్స్ (Council Bluffs) నగరంలో పుట్టాడు. పదహారేళ్ల వయసు రాకముందే, తాను ఎలాగైనా ఒక గొప్ప ఆవిష్కర్తను కావాలని తన డైరీలో రాసుకున్నాడు. అతని పూర్వీకులు ఏల్ విశ్వవిద్యాలయంలో (Yale University) “డీ ఫారెస్ట్” అనే ఇంటిపేరు గల విద్యార్థుల కోసం ఒక ప్రత్యేకమైన స్కాలర్‌షిప్‌ను ఏర్పాటు చేశారు. ఆ ఆర్థిక సాయంతో 1899లో ఫిజిక్స్‌లో పిహెచ్.డి పూర్తి చేశాడు.

మార్కోనీ సాధించిన అంతర్జాతీయ విజయాలు, కీర్తి ప్రతిష్ఠలను చూసి అతనితో సమానమైన స్థానాన్ని సంపాదించాలని డీ ఫారెస్ట్ ఆశించాడు. మార్కోనీ చేసిన దాని కంటే మెరుగైన రేడియో వ్యవస్థను తానే స్వయంగా అభివృద్ధి చేసి, అమెరికా మార్కెట్లో మార్కోనీ కంపెనీతో పోటీ పడాలనుకున్నాడు.

అయితే అతని పరిశోధనల ముందు చట్టపరమైన అవరోధముంది. మార్కోనీ తన రేడియో పరికరాలలో వాడే “కోహెరర్” (Coherer) డిటెక్టర్‌పై పూర్తి పేటెంట్ హక్కులను కలిగి ఉన్నాడు. డీ ఫారెస్ట్ ఒక కొత్త రేడియో రిసీవర్‌ను మార్కెట్లోకి తీసుకురావాలంటే, మార్కోనీ పేటెంట్ పరిధిలోకి రాకుండా పూర్తిగా భిన్నమైన సరికొత్త డిటెక్టర్‌ను సృష్టించాలి.

ట్రాన్స్‌మిటర్‌లో వాడే పెద్ద గొట్టం, రిసీవర్‌లో వాడే చిన్న గొట్టంతో లీ డీ ఫారెస్ట్

ప్రేరణ ఇచ్చిన గ్యాస్ బర్నర్

1900 వేసవి కాలంలో డీ ఫారెస్ట్ చికాగోలోని ఒక చిన్న ల్యాబ్‌లో రేడియో డిటెక్టర్లపై ప్రయోగాలు చేస్తుండేవాడు. ఒక రాత్రి అతను తన స్పార్క్-గ్యాప్ ట్రాన్స్‌మిటర్ కీని నొక్కినప్పుడల్లా, గదిలో వెలుగుతున్న దీపం మంట అస్థిరమయి, దాని వెలుగు తీవ్రత మారడం గమనించాడు. స్పార్క్ నుండి వెలువడిన విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు ఆ మంటలోని వేడెక్కిన అయాన్ల (ions) వాహకతను (conductivity) ప్రభావితం చేస్తున్నాయని అతను భావించాడు.

ఆ తర్వాత లోతుగా పరీక్షించగా, ఆ మార్పుకు కారణం రేడియో తరంగాలు కావు, స్పార్క్ డిశ్చార్జ్ అయినప్పుడు పుట్టిన శబ్దం వల్ల ఏర్పడిన గాలి ఒత్తిడి తరంగాలు అని తేలింది. తన అవగాహన పొరబాటే అయినా, అది అతనికి ఒక వినూత్నమైన ఆలోచనను ఇచ్చింది: వాయువును వేడి చేయడం ద్వారా దాని వాహకతను మార్చి, ఒక సర్క్యూట్ గుండా ప్రవహించే విద్యుత్తును నియంత్రించవచ్చు.

ఈ ఆలోచనను నిరూపించడానికి డీ ఫారెస్ట్ బర్నర్ మంటలో రెండు ప్లాటినం ఎలక్ట్రోడ్లను ఉంచాడు. వాటిని బ్యాటరీకి, టెలిఫోన్ రిసీవర్‌కు సీరీస్‌లో కలిపాడు. సాధారణ స్థితిలో ఆ రెండు ప్లాటినం తీగెల మధ్య ఉన్న ఖాళీ స్థలంలో గాలి ఉంటుంది. గాలి విద్యుత్ బంధకం (Insulator) కావడం వల్ల, బ్యాటరీ వోల్టేజ్ ఉన్నప్పటికీ ఆ ఖాళీని దాటి విద్యుత్తు ప్రవహించలేదు; సర్క్యూట్ తెరిచే ఉంటుంది.

కానీ ఎప్పుడైతే బర్నర్ మంట ఆ ఖాళీ స్థలాన్ని వేడెక్కించిందో, ఆ వేడికి గాలిలోని అణువులు విడిపోయి ధనాత్మక అయాన్లు, రుణాత్మక ఎలక్ట్రాన్లుగా మారాయి. ఈ అయనీకృత వాయువు (Ionized gas) ఆ రెండు తీగెల మధ్య ఉన్న ఖాళీ స్థలాన్ని ఒక విద్యుత్ వాహకంగా మార్చింది. దీనివల్ల సర్క్యూట్ పూర్తయి, బ్యాటరీ నుండి విద్యుత్తు ఆ మంట గుండా ప్రవహించడం మొదలైంది.

ఆపై యాంటెన్నా నుంచి వచ్చిన బలహీనమైన రేడియో సిగ్నల్‌ను ఆ మంటకు చేర్చినప్పుడు, ఆ సిగ్నల్ వోల్టేజ్ మార్పులు మంటలోని అయాన్ల కదలికను ప్రభావితం చేశాయి. ఫలితంగా, బ్యాటరీ నుంచి వచ్చే విద్యుత్ ప్రవాహంలో రేడియో సంకేతానికి అనుగుణంగా హెచ్చుతగ్గులు వచ్చాయి. ఆ మార్పులు టెలిఫోన్ రిసీవర్‌లో స్పష్టమైన మోర్స్ కోడ్ శబ్దాలగా వినిపించాయి.

ఇక్కడ యాంటెన్నా నుండి వచ్చే సిగ్నల్ తనకున్న స్వల్ప శక్తితో హెడ్‌ఫోన్‌ను నేరుగా కదిలించడం లేదు; అది కేవలం బాహ్య బ్యాటరీ నుంచి వచ్చే పెద్ద విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని శాసించే ఒక గేట్‌ లా పనిచేస్తోంది. ఒక చిన్న వోల్టేజ్ మార్పుతో పెద్ద విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నియంత్రించే సూత్రానికి ఇక్కడ తొలి రూపం పడింది.

అయితే, బహిరంగంగా వెలిగే మంట, గాలి వల్ల సులభంగా అస్థిరమవుతుందని గ్రహించిన డీ ఫారెస్ట్, ఆ వేడి వాయువును ఒక గాజు గొట్టంలో బంధించాలని నిర్ణయించాడు. అలా గ్యాస్ బర్నర్ ప్రయోగాల నుండి, ల్యాంప్ ఫిలమెంట్, ప్లేట్ మాత్రమే ఉండి లోపల కొద్దిపాటి వాయువు మిగిల్చిన “గ్యాసీ” డయోడ్ ట్యూబ్ (Partial vacuum diode) వైపు అతని పరిశోధనలు సాగాయి.

ట్రయోడ్ ఆవిష్కరణ (The Audion Triode)

బలహీనమైన రేడియో సంకేతాన్ని గణనీయంగా పెంచాలి (amplify) అంటే, కాథోడ్ నుండి ప్లేట్ వైపు ప్రయాణించే ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహ మార్గంలోనే మార్పు చేయాలని డీ ఫారెస్ట్ గ్రహించాడు. అందుకోసం 1906లో ఫిలమెంట్‌కు, ప్లేట్‌కు మధ్యలో ఒక సరికొత్త నియంత్రణ ఎలక్ట్రోడ్‌ను (Control electrode) ప్రవేశపెట్టాడు.

అక్కడ ఒక లోహపు పలకను (Plate) ఉంచితే కాథోడ్ నుండి వచ్చే ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహం పూర్తిగా ఆగిపోతుంది. అందువల్ల అతను ఒక సన్నటి తీగెలున్న జల్లెడ—అంటే “కంట్రోల్ గ్రిడ్” (Control Grid) ను ఉపయోగించాడు. ఈ విధంగా మూడు ఎలిమెంట్లు (కాథోడ్, గ్రిడ్, ఆనోడ్) కలిగిన ఈ శూన్య గొట్టానికి “ట్రయోడ్” (Triode) అని పేరు వచ్చింది. వైర్‌లెస్ టెలిగ్రాఫీ సంకేతాలను పట్టుకుని, మానవ చెవికి వినపడేలా చేసిన సున్నితమైన డిటెక్టర్ కాబట్టే డీ ఫారెస్ట్ దీనికి “ఆడియోన్” (ఆడియో + అయాన్) అని పేరు పెట్టి పేటెంట్ తీసుకున్నాడు.

ఆడియాన్ శూన్య గొట్టం

ట్రయోడ్ వలయం (Triode Circuit) రేఖాచిత్రంలో యాంటెన్నా నుండి వచ్చే బలహీనమైన రేడియో సిగ్నల్ ఇప్పుడు నేరుగా ఈ మధ్యలోని కంట్రోల్ గ్రిడ్‌కు కనెక్ట్ అయింది. కాథోడ్ నుండి ప్లేట్ వైపు వెళ్ళే ఎలక్ట్రాన్లు అన్నీ ఈ గ్రిడ్ తీగెల సందులగుండానే ప్రయాణించాలి.

ట్రయోడ్ వలయం

సంకేతం మూలంగా గ్రిడ్‌ స్వల్పంగా రుణాత్మకం అయినప్పుడు, ఆ గ్రిడ్ తీగెలు కాథోడ్ నుండి వచ్చే రుణాత్మక ఎలక్ట్రాన్లను వెనక్కు వికర్షిస్తాయి. ప్లేట్‌ను చేరే ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య ఒక్కసారిగా తగ్గిపోయి, ఆనోడ్ సర్క్యూట్ (Output) లో విద్యుత్తు ప్రవాహం తగ్గుతుంది.

సంకేతం స్వల్పంగా ధనాత్మకం అయినప్పుడు, గ్రిడ్ ఎలక్ట్రాన్లను తన వైపుకు ఆకర్షిస్తూ ప్లేట్ వైపు మరింత వేగంగా నెడుతుంది. దీనివల్ల ప్లేట్‌ను చేరే ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య పెరిగి, ఆనోడ్ సర్క్యూట్ లో విద్యుత్తు ప్రవాహం పెరుగుతుంది.

ఈ ప్రక్రియలో గ్రిడ్ అనేది ఒక నదిపై ఉండే డ్యామ్ గేట్ల లాగా పనిచేస్తుంది. గేట్లను కొద్దిగా పైకి కిందకు కదిలిస్తే భారీ నీటి ప్రవాహాన్ని ఎలా నియంత్రించవచ్చో, అలాగే గ్రిడ్ వద్ద ఇచ్చే అత్యంత స్వల్ప వోల్టేజ్ మార్పులు కూడా, కాథోడ్ నుండి ప్లేట్ వైపు దూసుకుపోయే ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహంలో భారీ హెచ్చుతగ్గులను సృష్టించగలవు.

రేఖాచిత్రంలోని అవుట్‌పుట్ గ్రాఫ్‌లో చూపినట్లుగా, గ్రిడ్ వద్ద మారిన చిన్న ఇన్‌పుట్ వోల్టేజ్ తరంగాలు ప్లేట్ సర్క్యూట్ వద్దకు వచ్చేసరికి ఒక పెద్ద బాహ్య బ్యాటరీ (B-battery) శక్తిని వాడుకుని, అదే ఆకారంలో ఉన్న అతి భారీ అవుట్‌పుట్ వోల్టేజ్ తరంగాలగా రూపాంతరం చెందుతాయి. ఇదే ఎలక్ట్రానిక్ యాంప్లిఫికేషన్.

ట్రయోడ్‌తో యాంప్లిఫికేషన్

ఈ గ్రిడ్ ఆవిష్కరణతోనే బలహీనమైన రేడియో సంకేతాలని వేల రెట్లు పెంచడం సాధ్యమైంది. ఇది కేవలం మోర్స్ కోడ్ టిక్-టిక్ శబ్దాలనే కాకుండా, స్పష్టమైన మానవ స్వరాన్ని, సంగీతాన్ని కూడా రేడియో తరంగాల ద్వారా సుదూర ప్రాంతాలకు మోసుకెళ్లే రేడియో బ్రాడ్‌కాస్టింగ్ యుగానికి అసలైన పునాది వేసింది.

AT&T రంగప్రవేశం: ఖండాంతర టెలిఫోన్ సౌకర్యం

డీ ఫారెస్ట్ ట్రయోడ్‌ను కనుగొన్నప్పటికీ, అది ఏ భౌతిక సూత్రం ఆధారంగా పనిచేస్తుందనే దానిపై అతనికి స్పష్టమైన అవగాహన లేదు. గొట్టం లోపల కొంత వాయువు ఉండాలని, ఆ వాయువు యొక్క అయనీకరణ వలనే సిగ్నల్ బలపడుతుందని అతను నమ్మాడు. అందువల్ల తొలి ఆడియాన్‌లు పరిపూర్ణమైన శూన్యంతో ఉండక కొంత వాయువుతో నిండి ఉండేవి. ఆ వాయువు మూలంగా గొట్టంలో నీలి కాంతి మెరుపులు వచ్చి, గొట్టం ప్రవర్తన అస్థిరమయేది. ఒక గొట్టం చూపిన ఫలితాన్ని మరొక గొట్టం చూపేది కాదు.

ఇలాంటి సమయంలోనే అమెరికన్ టెలిఫోన్ అండ్ టెలిగ్రాఫ్ (AT&T) సంస్థ ఒక పెద్ద సాంకేతిక సవాలును ఎదుర్కొంటోంది. అమెరికా తూర్పు తీరం నుండి పశ్చిమ తీరం వరకు (ఖండం దాటేలా) టెలిఫోన్ సేవలను విస్తరించడం ఆ సంస్థ లక్ష్యం. 1915లో శాన్ ఫ్రాన్సిస్కోలో జరగబోయే అంతర్జాతీయ ప్రదర్శన సమయానికి న్యూయార్క్ నుండి దాదాపు మూడు వేల మైళ్ళ దూరంలో ఉన్న శాన్ ఫ్రాన్సిస్కో వరకు కాంటినెంటల్ టెలిఫోన్ కనెక్షన్ చూపిస్తామని సంస్థ ప్రకటించింది.

రాగి తీగెల గుండా వెళ్లే వాయిస్ సిగ్నల్ దూరం పెరుగుతున్న కొద్దీ బలహీనమవుతుంది. మనిషి గొంతును వేల మైళ్ల దూరం నిలపాలంటే మధ్య మధ్యలో సిగ్నల్ బలాన్ని పెంచే “రిపీటర్ యాంప్లిఫైయర్” (Repeater Amplifier) అవసరం. అప్పటివరకు ఉన్న యాంప్లిఫైయర్లు ఒకటి రెండు వేల మైళ్ళ దూరానికి మించి పనిచెయ్యలేదు.

1912లో డీ ఫారెస్ట్ తన ఆడియాన్ యాంప్లిఫైయర్‌ను AT&T ఇంజనీర్ల ముందు ప్రదర్శించాడు. ఆ గొట్టం స్థిరంగా పనిచెయ్యకపోయినా, అందులో దాగి ఉన్న మౌలిక సూత్రాన్ని సంస్థ గుర్తించింది. చిన్న ఇన్‌పుట్ వోల్టేజ్ సిగ్నల్ సాయంతో ఒక స్థానిక బ్యాటరీ కరెంట్‌ను నియంత్రించవచ్చనే సూత్రమే టెలిఫోన్ రిపీటర్‌కు కావలసిన సాంకేతిక పరిష్కారం. ఆ తర్వాత కంపెనీ డీ ఫారెస్ట్ నుండి ఆడియాన్ హక్కులను కొనుగోలు చేసి, తన పరిశోధనా విభాగమైన వెస్ట్రన్ ఎలక్ట్రిక్ (Western Electric) లో దీనిపై విస్తృత పరిశోధనలు మొదలెట్టింది.

AT&T శాస్త్రవేత్త హెరాల్డ్ ఆర్నాల్డ్ (Harold Arnold, 1883 – 1933) ఈ సమస్యను ఎలక్ట్రాన్ ఫిజిక్స్ కోణంలో విశ్లేషించాడు. డీ ఫారెస్ట్ నమ్మకానికి భిన్నంగా, ఆడియాన్‌లో కనిపించే ఆ నీలి కాంతి గొట్టం లోపల మిగిలిపోయిన అయాన్ల వల్ల వస్తున్నదని, ఆ అయాన్ల వల్లే అస్థిరత కలుగుతుందని అతను గుర్తించాడు. సరిగా పనిచేసే యాంప్లిఫైయర్ కావాలంటే గ్యాస్ అయాన్లు కాదు, శూన్యంలో ప్రయాణించే శుద్ధమైన ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహం అవసరమని నిర్ధారించాడు.

దీనికోసం సరికొత్త వాక్యూమ్ పంపుల సహాయంతో గాజు బల్బులోని వాయువును దాదాపు పూర్తిగా తొలగించి, దానిని “హై-వాక్యూమ్ ట్రయోడ్” గా మార్చాడు. ఈ మార్పుతో వాక్యూమ్-ట్యూబ్ పరిశోధన ఒక స్థిరమైన విజ్ఞాన శాస్త్రంగా మారింది.

ఈ రీ-ఇంజనీరింగ్ ఫలితమే 1915 జనవరి 25న అలెగ్జాండర్ గ్రాహం బెల్ న్యూయార్క్ నుండి, శాన్ ఫ్రాన్సిస్కోలో ఉన్న అతని సహాయకుడు థామస్ వాట్సన్‌తో జరిపిన సంభాషణ:

Bell: Mr. Watson, come here, I want you.
Watson: It would take me a week now to do that, Mr. Bell.

అమెరికా అంతటా విస్తరిస్తున్న ఈ నెట్‌వర్క్, మానవ జీవితాలను ఏ విధంగా ప్రభావితం చేస్తుందో ఆనాటి సామాజిక సందర్భాన్ని ప్రతిబింబించే కవిత:

I am a copper wire slung in the air,

Slim against the sun I make not even a clear line of shadow.

Night and day I keep singing—humming and thrumming:

It is love and war and money; it is the fighting and the

tears, the work and want,

Death and laughter of men and women passing through

me, carrier of your speech,

In the rain and the wet dripping, in the dawn and the

shine drying,

A copper wire.

— “Under A Telephone Pole,” by Carl Sandburg (1916)

ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగానికి డీ ఫారెస్ట్ చేసిన మౌలిక ఆవిష్కరణలను గుర్తిస్తూ అమెరికన్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీర్స్ (AIEE) 1946వ సంవత్సరంలో అతనికి ప్రతిష్ఠాత్మకమైన “ఎడిసన్ మెడల్” పురస్కారాన్ని ప్రదానం చేసింది. 1961 జూన్ 30న, తన 87వ ఏట, కాలిఫోర్నియాలోని హాలీవుడ్‌లో డీ ఫారెస్ట్ గుండె జబ్బుతో మరణించాడు.

డీ ఫారెస్ట్ కనుగొన్న ట్రయోడ్ రేడియో అభివృద్ధికి కీలకమయింది. ట్రాన్సిస్టర్ యుగానికి ముందు వచ్చిన రేడియోలు పరిమాణంలో భారీగా ఉండటానికి వాటిలో వాడిన శూన్య గొట్టాలే ప్రధాన కారణం. ఒక సాధారణ రేడియో రిసీవర్‌లో రెండు రకాల వాల్వ్‌లు కీలక పాత్రలు పోషించేవి: ఇళ్లలోకి వచ్చే ఏసీ కరెంటును రేడియోకు కావలసిన డీసీ కరెంటుగా మార్చడానికి, అలాగే రేడియో తరంగాల నుండి ధ్వనిని వేరు చేయడానికి ఫ్లెమింగ్ డయోడ్ (Diode) వాల్వ్ ఉపయోగపడేది. అలా వేరు చేసిన అత్యంత బలహీనమైన ఆడియో సంకేతాలను స్పీకర్ మోగించగలిగేలా వందల రెట్లు విస్తరించడానికి లీ డీ ఫారెస్ట్ కనుగొన్న ట్రయోడ్ (Triode) ట్యూబ్‌లను వరుసగా వాడేవారు. ఈ గాజు ట్యూబ్‌లలోని ఫిలమెంట్లు నిరంతరం వేడెక్కాల్సి రావడం, వాటికి అవసరమైన హై-వోల్టేజ్ కోసం భారీ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లను లోపల అమర్చాల్సి రావడంతో ఆనాటి రేడియోలు విపరీతమైన వేడిని పుట్టిస్తూ, ఒక పెద్ద పెట్టె పరిమాణంలో ఉండేవి.

పాత రేడియో – బయట

పాత రేడియో – లోపల

మొదటి ప్రపంచ యుద్ధ కాలంలో (1914 – 1918) సైనిక దళాల మధ్య సమాచార మార్పిడి కోసం వాడే వైర్‌లెస్ రేడియో పరికరాలలో ట్రయోడ్‌లను విస్తృతంగా ఉపయోగించడం ప్రారంభించారు.

మొదటి కంప్యూటర్లు: మెకానికల్ యుగం నుంచి ఎలక్ట్రానిక్ యుగానికి

సాధారణంగా యుద్ధానికి సంబంధించిన దృశ్యాలలో శత్రువు ఎదురుగా కనిపిస్తుండగా సైనికులు కాల్పులు జరపడం మనం చూస్తుంటాం. కానీ నిజమైన యుద్ధ రంగంలో, ముఖ్యంగా భారీ ఫిరంగులు (Artillery Guns) వాడేటప్పుడు వాస్తవం పూర్తిగా భిన్నంగా ఉంటుంది. అక్కడ ఫిరంగిని కాల్చే గన్‌మెన్‌కు శత్రువు ఉన్న స్థానం కంటికి కనిపించదు. కొండల అవతలో, ఐదారు మైళ్ల దూరంలోనో ఉన్న శత్రువు స్థావరాన్ని ఖచ్చితంగా దెబ్బకొట్టడానికి సైన్యం మూడు విభాగాల సమన్వయం మీద ఆధారపడుతుంది.

యుద్ధ రంగం

ముందరి పర్యవేక్షకుడు (Forward Observer): శత్రువుల స్థావరాలకు వీలైనంత దగ్గరగా దాగి ఉండే ఈ సైనికుడు, శత్రువు ఉన్న చోటును బైనాక్యులర్స్ లేదా లేజర్ రేంజ్ ఫైండర్ సాయంతో గమనిస్తాడు. ఆ స్థావరం తమ ఫిరంగికి ఎంత దూరంలో, ఏ దిశలో ఉందో రేడియో సంకేతాల ద్వారా వెనుక ఉండే కేంద్రానికి చేరవేస్తాడు.

కాలుపు నిర్దేశ కేంద్రం (Firing Direction Center): ముందరి పర్యవేక్షకుడు పంపిన సమాచారాన్ని వాడుకొని, ఈ కేంద్రంలోని అధికారులు ఒక ప్రత్యేకమైన పట్టిక—”కాల్పుల పట్టిక” (Firing Table)—సాయంతో లెక్కింపులు చేస్తారు. ఆనాటి గాలి దిశ, వేగం, ఉష్ణోగ్రతని బట్టి ఫిరంగి గొట్టాన్ని సరిగ్గా ఏ కోణంలో పైకి పెట్టాలో లెక్కగట్టి, దానిని ఫిరంగి దళానికి ఆదేశంగా పంపుతారు.

ఫిరంగి దళం (Gunmen): కాలుపు నిర్దేశ కేంద్రం నుండి వచ్చిన ఆదేశం ప్రకారం ఫిరంగి గొట్టాన్ని యాంత్రికంగా పైకి తిప్పి ట్రిగ్గర్ నొక్కుతారు. ఆ గుండు వెళ్ళి శత్రువు స్థావరంపై పడుతుంది. ముందరి పర్యవేక్షకుడు అది సరిగా తాకిందో లేదో గమనించి కేంద్రానికి తెలియచేస్తాడు. అవసరమైతే సవరణలు చేసి కేంద్రం కొత్త ఆదేశాలను జారీ చేస్తుంది.

పైన చెప్పుకున్నట్టు ఫిరంగి గుండు లక్ష్యాన్ని ఖచ్చితంగా తాకాలంటే, “ఏ దిశలో, ఏ కోణంలో గురి పెట్టాలి?” అనే ప్రశ్నకు సమాధానం సులభం కాదు. ఆ ఇనుప గుండుపై ఎన్నో భౌతిక శక్తులు పనిచేస్తాయి. గుండు బరువు, చోదక శక్తి, తుపాకి లోపలి గొట్టం రకం, దూరం మాత్రమే కాకుండా, ఆ క్షణంలో వీస్తున్న గాలి ఒత్తిడి, ఉష్ణోగ్రత, గాలి సాంద్రత, అది ఎదురుగా వస్తుందా పక్క నుండి వస్తుందా అనే వేగ వ్యత్యాసాలు దాని గమన మార్గాన్ని పూర్తిగా మారుస్తాయి. ఈ సంక్లిష్టమైన గమన మార్గాలన్నింటినీ (Trajectories) ప్రతి ఆయుధానికి ముందే లెక్కించి, వాటిని పుస్తక రూప పట్టికలుగా (Ballistic Firing Tables) తయారు చేసేవారు. ఈ సంక్లిష్టమైన లెక్కలను కాగితం మీద చేతితో లేదా చిన్న మెకానికల్ క్యాలిక్యులేటర్లతో చేసే మనుషులని “హ్యూమన్ కంప్యూటర్‌లు” అనేవారు.

ఈ లెక్కింపులు చేసే వారిలో అత్యధికులు మహిళా గణిత శాస్త్రజ్ఞులే. రెండో ప్రపంచ యుద్ధం (1939 – 1945) తీవ్రమవుతున్న కొద్దీ రంగంలోకి కొత్త రకాల ఆయుధాలు, భిన్నమైన బరువులున్న ఫిరంగి గుండ్లతోపాటు వచ్చేవి. వాటికి తగినట్టుగా కొత్త కాల్పుల పట్టిక తయారుచెయ్యడానికి కావలసినంతమంది నిపుణులైన మహిళలు దొరికేవారు కాదు. ఒకే ఒక్క ఆయుధానికి పూర్తి పట్టికను తయారు చేయడానికి కొన్ని నెలలు పట్టేది.

ఈ సంక్షోభం నుంచి రెండు వేర్వేరు సాంకేతిక మార్గాలు పుట్టాయి. ఒకటి— యంత్రాలను మరింత మెరుగైన ఎలక్ట్రో-మెకానికల్ క్యాలిక్యులేటర్లుగా మార్చే విధానం. మరొకటి—గేర్లు, చక్రాలు, రిలేలు ఇవేవీ లేకుండా, లెక్కింపును పూర్తిగా శూన్య గొట్టాలలోని ఎలక్ట్రాన్ల వేగం మీద నడిపించే విధానం. మొదటి మార్గానికి ప్రతీక హార్వర్డ్ మార్క్ 1 (Harvard Mark I); రెండవ మార్గానికి ప్రతీక ఎనియాక్ (ENIAC).

హార్వర్డ్ మార్క్ 1

హార్వర్డ్ మార్క్ 1 కంప్యూటర్

ఎలక్ట్రానిక్ విప్లవానికి మునుపే, హార్వర్డ్ మార్క్ 1 (Harvard Mark I), లెక్కింపు యంత్రాల చరిత్రలో ఒక ముఖ్యమైన మైలురాయిగా నిలిచింది. ఛార్లెస్ బాబేజ్ (Charles Babbage, 1791 – 1871) గతంలో ప్రతిపాదించిన ఆటోమేటిక్ అనలిటికల్ ఇంజన్ సూత్రాల ఆధారంగా, హార్వర్డ్ విశ్వవిద్యాలయ (Harvard) భౌతిక శాస్త్రవేత్త హోవార్డ్ ఐకెన్ (Howard AIken, 1900 – 1973) ఈ యంత్రాన్ని రూపకల్పన చేశాడు. అమెరికా నౌకాదళం అందించిన నిధులతో, ఐబీఎమ్ (IBM) సాంకేతిక భాగస్వామ్యంతో నిర్మితమైన ఈ యంత్రం 1944లో హార్వర్డ్ విశ్వవిద్యాలయంలో అందుబాటులోకి వచ్చింది.

బయటకు కనిపించే గాజు ప్యానళ్ల వెనుక దాదాపు ఐదు టన్నుల బరువుతో కూడిన ఎలక్ట్రో-మెకానికల్ (Electro-mechanical) క్యాలిక్యులేటర్ ఇది. ఐదు హార్స్‌పవర్ మోటారుతో నిరంతరం తిరిగే యాభై అడుగుల పొడవాటి సుదీర్ఘమైన ఇరుసు (Drive Shaft) సాయంతో, వందలాది గేర్లు, డెసిమల్ చక్రాలు, విద్యుత్ రిలేలు, కదులుతూ ఇందులో లెక్కింపులు సాగేవి.

ఎనియాక్: ఎలక్ట్రానిక్ కంప్యూటింగ్ మైలురాయి

అదే కాలంలో ఫిలడెల్ఫియాలోని యూనివర్సిటీ ఆఫ్ పెన్సిల్వేనియా (UPenn) లో సరికొత్త వైజ్ఞానిక ప్రయత్నం ప్రారంభమైంది. అక్కడి పరిశోధకులు ఒక వినూత్నమైన ఆలోచన చేశారు: గేర్లు, ఇరుసులు, యాంత్రికమైన కౌంటర్ల కదలికల మీద కాకుండా, పూర్తిగా శూన్య గొట్టాలలోని ఎలక్ట్రాన్ స్విచ్చింగ్ మీద ఆధారపడి లెక్కించడం.

భౌతిక శాస్త్రవేత్త అయిన జాన్ మచ్లీ (John Mauchly, 1907 – 1980) క్లిష్టమైన వాతావరణ మార్పులను ముందే అంచనా వేయడానికి (Weather Forecasting) శూన్యపు గొట్టాలని వాడవచ్చని ఎప్పటి నుంచో భావించాడు. కాని, దానికి కావలసిన ఆర్థిక సహాయం, వనరులు అందలేదు. మచ్లీ ఆలోచనలకు ఆచరణాత్మక హార్డ్‌వేర్ రూపాన్ని ఇవ్వడానికి జె. ప్రెస్పర్ ఎకర్ట్ (J. Presper Eckert, 1919 – 1995) అన్న ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీర్ అతనికి తోడయ్యాడు.

నౌకాదళానికి అవసరమైనట్లే, అమెరికా సైనిక దళానికి (US Army) కూడా కాల్పుల పట్టికలు అత్యవసరమవ్వడంతో మచ్లీ, ఎకర్ట్ ల ప్రాజెక్టుకు ఊపు వచ్చింది. అమెరికా ఆర్మీ బాలిస్టిక్స్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ నిధులతో, ఎనియాక్ (ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Computer) ప్రాజెక్టును అధికారికంగా చేపట్టారు. దీని నిర్మాణం 1943లో మొదలై 1945 చివరి నాటికి పూర్తయింది. అప్పటికి యుద్ధం ముగిసినా, ఎలక్ట్రానిక్ డిజిటల్ కంప్యూటర్లు ఆచరణాత్మకంగా సాధ్యమేనని ఈ యంత్రం నిరూపించింది.

ENIAC అధికారులతో. ఎడమ నుంచి మొదట ఎకర్ట్, ఐదవ స్థానంలో మచ్లీ

ఎనియాక్ సాంకేతిక స్వరూపం

మార్క్ 1 లో సమాచార మార్పిడి కోసం దశాంశ చక్రం భౌతికంగా తిరగాలి; ఎనియాక్‌లో కేవలం ఎలక్ట్రికల్ పల్స్ (Electrical pulse) కదిలితే సరిపోతుంది. మార్క్ 1 లో రిలే కాంటాక్ట్ యాంత్రికంగా అటు ఇటు మారాలి; ఎనియాక్‌లోశూన్య గొట్టం లోని ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహం ఆన్-ఆఫ్ కావాలి.

18000 శూన్య గొట్టాలు, 70,000 రెసిస్టర్లు, 10,000 కెపాసిటర్లతో ఎనియాక్ 27 టన్నుల బరువుతో, సుమారు 1,800 చదరపు అడుగులని ఆక్రమించింది. దీనికి 150 కిలోవాట్ల విద్యుత్తు అవసరమయ్యేది. హార్వర్డ్ మార్క్ 1 కంటే ఎనియాక్ దాదాపు వెయ్యి రెట్లు వేగంగా పనిచేసేది.

ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ (Flip-Flop)

డీ ఫారెస్ట్ కనుగొన్న ట్రయోడ్ ప్రాథమికంగా విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నియంత్రించే ఒక ఎలక్ట్రానిక్ స్విచ్ మాత్రమే. దానికి స్వంతంగా సమాచారాన్ని నిలువ చేసుకునే “జ్ఞాపకశక్తి” (Memory) లేదు. గ్రిడ్ వోల్టేజ్ మారిన ప్రతిసారీ అది తన స్థితిని మార్చుకుంటుంది కానీ, పాత స్థితిని గుర్తుపెట్టుకోలేదు. మరి అలాంటప్పుడు దానితో లెక్కలు ఎలా చెయ్యగలం?

ఒకే ఒక్క ట్రయోడ్ సమాచారాన్ని నిల్వ చేయలేదు; కానీ రెండు ట్రయోడ్‌లను ప్రత్యేకమైన రీతిలో ఒకదానికొకటి క్రాస్-కనెక్ట్ (Cross-couple) చేస్తే, అవి ఒకదాని స్థితిని మరొకటి ప్రభావితం చేస్తూ ఒక నిర్దిష్ట స్థితిని శాశ్వతంగా నిల్వ చేయగలవు. ఈ జంట సర్క్యూట్‌ను “ఫ్లిప్-ఫ్లాప్” (Flip-Flop) అంటారు.

ఫ్లిప్-ఫ్లాప్

దీని భౌతిక సూత్రం ఇద్దరు వ్యక్తులు ఇరువైపులా కూర్చుని పైకీ కిందకీ ఊగే “సీ-సా” (Seesaw) ఆటలాంటిది. అందులో ఒకరు పైకి లేస్తే, ఎదుటివారు కచ్చితంగా కిందకి ఉండాలి; ఇద్దరూ ఒకేసారి పైకి లేదా ఒకేసారి కిందకు ఉండటం సాధ్యం కాదు. ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ సర్క్యూట్‌లో కూడా రెండు గొట్టాలలో ఒకటి ‘ఆన్’ స్థితిలో ఉంటే, రెండవది కచ్చితంగా ‘ఆఫ్’ స్థితిలోనే ఉంటుంది.

ఇక్కడ రెండు శూన్య గొట్టాలు (A గొట్టం, B గొట్టం) ఒకదానితో ఒకటి క్రాస్-కప్లింగ్ వైరింగ్ ద్వారా ముడిపడి ఉంటాయి. ఒక బాహ్య ట్రిగ్గర్ పల్స్ వచ్చినప్పుడు సర్క్యూట్ లోపల ఒక క్రమ పద్ధతిలో జరిగే గొలుసుకట్టు ప్రతిచర్య (Chain Reaction):

ఆరంభ స్థితి (Initial State – A గొట్టం ఆన్, B గొట్టం ఆఫ్): మొదట A ఆన్ స్థితిలో ఉందనుకుందాం. అది తన గుండా విద్యుత్తుని బలంగా లాగుతుండటం వల్ల దాని ఆనోడ్ (Plate) వోల్టేజ్ కనిష్ట స్థాయికి (LOW) పడిపోతుంది. రేఖాచిత్రంలో చూపిన విధంగా ఈ ప్లేట్ క్రాస్-కప్లింగ్ తీగె ద్వారా B యొక్క కంట్రోల్ గ్రిడ్‌కు కలపడాన, B గ్రిడ్ బలమైన రుణాత్మక వోల్టేజ్ లో ఉండి, B ను ఆఫ్ స్థితిలో ఉంచుతుంది. B ఆఫ్‌లో ఉండటం వల్ల దాని ప్లేట్ వోల్టేజ్ గరిష్ట స్థాయిలో (HIGH) ఉంటుంది. ఈ HIGH వోల్టేజ్ తిరిగి క్రాస్-కప్లింగ్ తీగె ద్వారా A గ్రిడ్‌ను ధనాత్మకంగా ఉంచి, దాన్ని ఆన్ స్థితిలోనే కట్టి వేస్తుంది. బాహ్య సంకేతం రానంతవరకు సర్క్యూట్ ఇదే స్థితిలో స్థిరంగా ఉంటుంది.

ట్రిగ్గర్ పల్స్ ప్రవేశం (Negative Pulse): ఇప్పుడు బయట నుండి ఒక ఉమ్మడి రుణాత్మక వోల్టేజ్ పల్స్ (Trigger pulse) రెండు గొట్టాల గ్రిడ్‌లకూ ఒకేసారి అందుతుంది. అప్పటికే ఆఫ్ లో ఉన్న B గ్రిడ్‌ను ఈ పల్స్ ఇంకాస్త రుణాత్మకం వైపు నెడుతుంది. కానీ అది అప్పటికే పూర్తి ఆఫ్‌లోనే ఉంది కాబట్టి దాని అంతర్గత స్థితిలో ఎలాంటి మార్పూ రాదు. కానీ, అప్పటివరకు ఆన్ లో ఉన్న A గ్రిడ్‌కు ఈ రుణాత్మక పల్స్ తగలగానే, దాని గుండా ప్రవహిస్తున్న ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహానికి ఒక్కసారిగా బ్రేక్ పడుతుంది.

స్థితి మారడం (The Flip): ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహం ఆగిపోవడంతో A తక్షణమే ఆఫ్ స్థితికి మారిపోతుంది. అది ఆఫ్ అవ్వడం ఆలస్యం; అప్పటివరకు కనిష్టంగా ఉన్న దాని ప్లేట్ వోల్టేజ్ ఒక్కసారిగా గరిష్ట స్థాయికి (HIGH) చేరుకుంటుంది.

B ఆన్ అవ్వడం (The Flop): A ప్లేట్ వోల్టేజ్ ఎప్పుడైతే HIGH అయిందో, ఆ క్రాస్-కప్లింగ్ వైరింగ్ ద్వారా ఆ వోల్టేజ్ మార్పు నేరుగా వెళ్లి B గ్రిడ్‌ను చేరుతుంది. అప్పటివరకు రుణాత్మక వోల్టేజ్ పరిధిలో ఉన్న B గ్రిడ్, ఈ కొత్త వోల్టేజ్ కారణంగా ధనాత్మకం వైపుకు మారుతుంది. గ్రిడ్ తెరుచుకోవడంతో ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహం మొదలై B తక్షణమే ఆన్ స్థితిలోకి వస్తుంది. అది ఆన్ అవ్వడంతోనే తన ప్లేట్ వోల్టేజ్‌ను కనిష్ట స్థాయికి (LOW) మార్చి, A ట్యూబ్ గ్రిడ్‌ను రుణాత్మకం చేసి దాన్ని ఆఫ్ స్థితిలో కట్టి వేస్తుంది.

బయట నుండి వచ్చిన ఆ ఒక్క రుణాత్మక పల్స్ రెండు గ్రిడ్‌లనూ ఒకేసారి తాకినా, సర్క్యూట్ లోపల అప్పటికే ఉన్న వోల్టేజ్ బలాబలాల తేడా వల్ల అది మొదట ఆన్‌లో ఉన్న గొట్టాన్ని ఆఫ్ చేసింది. అది ఆగిపోతూ పుట్టించిన HIGH వోల్టేజ్, మరుక్షణమే తనతో జంటగా ఉన్న గొట్టాన్ని ఆన్ చేసింది.

ఈ విధంగా సర్క్యూట్ తన పాత స్థితిని వదిలి (Flip అయి), కొత్త స్థితిలో స్థిరపడిపోతుంది (Flop అవుతుంది). రేఖాచిత్రంలోని అవుట్‌పుట్ గమనిస్తే, తదుపరి పల్స్ వచ్చేంతవరకు ఈ కొత్త స్థితి ఇలాగే నిలిచి ఉంటుంది. ఒక చిన్న విద్యుత్ సంకేతంతో ఒక స్థితిని ఇలా నిరంతరాయంగా ఉంచగలగడమే ఎలక్ట్రానిక్ జ్ఞాపకశక్తికి నాంది.

దశాంశ కూడిక చేసే వలయం (The Decimal Ring Counter)

ఎనియాక్‌లో సంఖ్యలను కూడే విధానాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి కారు డాష్‌బోర్డ్‌లో ఉండే యాంత్రిక ఓడోమీటర్ (Odometer – మైలేజ్ చూపించే చక్రాల అమరిక) ను గుర్తు తెచ్చుకోవాలి. ఓడోమీటర్‌లో 0 నుండి 9 వరకు అంకెలున్న ఒక చక్రం ఉంటుంది. అది ఒక చుట్టు తిరిగినప్పుడు పక్కన ఉన్న పదుల స్థానపు చక్రాన్ని ఒక అంకె ముందుకు జరుపుతుంది. ఎనియాక్ కూడా సరిగ్గా ఇదే సూత్రంతో పనిచేసింది; కానీ ఇక్కడ తిరగడానికి ఎలాంటి భౌతికమైన చక్రాలు లేవు. వాటి స్థానంలో కేవలం నిశ్శబ్దంగా పనిచేసే శూన్య గొట్టాల వలయం ఉంది.

ఎనియాక్‌లో ప్రతి ఒక్క స్థానానికి (ఒకట్లు, పదులు, వందల, … స్థానాలకు) పది ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ (గొట్టాల జంట) లను ఒక వృత్తాకారంలో కలిపారు. దీనిని “రింగ్ కౌంటర్” అంటారు. ఈ పది జంటలకు 0 నుండి 9 వరకు సంఖ్యలు ఇచ్చారు. ఇక్కడ మౌలికమైన నియమం ఏంటంటే—ఈ పది జంటలలో ఏ క్షణంలోనైనా సరే, కేవలం ఒక్క ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ మాత్రమే ఆన్ స్థితిలో ఉంటుంది; మిగిలిన తొమ్మిది ఆఫ్ స్థితిలో ఉంటాయి. ఏ సంఖ్య గల ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ ఆన్‌లో ఉందో (చిత్రాలలో ఎరుపు రంగు వృత్తం), యంత్రం ఆ అంకెను నిల్వ చేసుకున్నట్లు లెక్క. (ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ ఆన్ లో ఉన్నదంటే, A గొట్టం ఆన్, B గొట్టం ఆఫ్; ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ ఆఫ్ లో ఉన్నదంటే, A గొట్టం ఆఫ్ , B గొట్టం ఆన్.)

దీనితో 18 కి 3 ఎలా కూడవచ్చో చూద్దాం.

1. ప్రారంభ స్థితి (18): కూడిక ప్రారంభం కావడానికి ముందు యంత్రం ’18’ అనే సంఖ్యను సూచిస్తుంది. ఇందులో పదుల స్థానపు వలయంలో ఒకటో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ ఆన్‌లో ఉంది. ఒకట్ల స్థానపు వలయంలో ఎనిమిదో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ ఆన్‌లో ఉంది.

2. మొదటి పల్స్ తర్వాత (18 -> 19): ఈ పల్స్ ఒకట్ల స్థానంలో అప్పటికే ఆన్‌లో ఉన్న 8వ ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను తాకగానే అది ఆఫ్‌ అవుతుంది. అది ఆఫ్‌ అవుతూనే తన పక్క ఉన్న తొమ్మిదో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను ఆన్ చేస్తుంది. (ఆఫ్‌ లో ఉన్న మిగిలిన స్థానాలపై ఈ పల్స్ ప్రభావం ఉండదు.) ఈ సమయంలో పదుల స్థానంలో ఎలాంటి మార్పు ఉండదు; అది 1 దగ్గరే స్థిరంగా ఉంటుంది. ఫలితంగా, మొత్తం వలయం ఇప్పుడు ’19’ అనే సంఖ్యను సూచిస్తుంది (పదుల స్థానంలో 1, ఒకట్ల స్థానంలో 9).

కూడిక చిత్రం – ఎ

3. రెండో పల్స్ తర్వాత (19 -> 20): ఈ రెండో పల్స్ ఒకట్ల స్థానంలో ఆన్‌లో ఉన్న తొమిదో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను తాకి దాన్ని ఆఫ్ చేస్తుంది. ఆఫ్ అవుతూ తన పక్కనే ఉన్న 0 (సున్నా) వ ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను ఆన్ చేస్తుంది. అలా ఒక పూర్తి చుట్టు ముగిసే క్రమంలో 0 వ ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ ఆన్ అవుతూనే, పదుల స్థానపు వలయానికి ఒక అంతర్గత “క్యారీ పల్స్” ను విడుదల చేస్తుంది. ఆ క్యారీ పల్స్ నేరుగా వెళ్లి పదుల స్థానంలో అప్పటివరకు ఆన్‌లో ఉన్న ఒకటో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను ఆఫ్ చేసి, దాని పక్కనే ఉన్న రెండో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను ఆన్ చేస్తుంది. ఫలితంగా, మొత్తం వలయం ఇప్పుడు ’20’ అనే సంఖ్యను సూచిస్తుంది (పదుల స్థానంలో 2, ఒకట్ల స్థానంలో 0).

కూడిక చిత్రం – బి

4. మూడో పల్స్ తర్వాత (20 -> 21): ఈ పల్స్ ఒకట్ల స్థానంలో ఆన్‌లో ఉన్న 0 వ ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను తాకి దాన్ని ఆఫ్ చేస్తుంది. అది ఆఫ్ అవుతూ తన పక్కనే ఉన్న ఒకటో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌ను ఆన్ చేస్తుంది. ఈ సమయంలో పదుల స్థానంలో అదనంగా ఎలాంటి మార్పు ఉండదు; అది అప్పటికే మారిన 2 దగ్గరే స్థిరంగా ఉంటుంది. ఫలితంగా, మూడు పల్స్‌ల లెక్కింపు ముగిసేసరికి మొత్తం వలయం ’21’ అనే సంఖ్యను సూచిస్తుంది (పదుల స్థానంలో 2, ఒకట్ల స్థానంలో 1).

ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహం ఒక ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ నుండి ఇంకో ఫ్లిప్-ఫ్లాప్‌కు రిలే రేస్‌లో బ్యాటన్ మార్చుకున్నట్లు అత్యంత వేగంగా బదిలీ కావడం వల్లే ఎనియాక్ సెకనుకు వేలాది కూడికలను యాంత్రిక ఆలస్యం లేకుండా చేయగలిగింది.

క్లిష్టమైన గతిశీల (ballistic) లెక్కలు ఎలా సాధ్యం?

ప్రాథమిక ఫ్లిప్-ఫ్లాప్ వలయాలతో కూడికలు చెయ్యొచ్చు సరే. అత్యంత క్లిష్టమైన గతిశీల సమీకరణాలను అవి ఎలా పరిష్కరించాయి? దీని వెనుక ఉన్న వైజ్ఞానిక సూత్రం ఏంటంటే—ఎంతటి కలన గణిత సమీకరణాలనైనా, సంఖ్యాత్మక పద్ధతుల (Numerical methods) ద్వారా విడగొడితే అవి కేవలం సాధారణ కూడికలు, తీసివేతలుగా మారిపోతాయి.

ఫిరంగి గుండు గాలిలో ప్రయాణిస్తున్నప్పుడు దాని వేగం, గాలి నిరోధకత, క్షణక్షణానికీ మారిపోతుంటాయి. ఎనియాక్ రూపకర్తలు ఆ గుండు ప్రయాణించే మొత్తం సమయాన్ని అతి చిన్న కాలఖండాలుగా (Infinitesimal time intervals) విభజించారు. ఆ అతి చిన్న కాల వ్యవధిలో గుండుపై పనిచేసే శక్తులు, దాని వేగం స్థిరంగా ఉంటాయని ఊహించి, కేవలం “వేగం x కాలం = దూరం” అనే ప్రాథమిక సూత్రాల ఆధారంగా లెక్కింపులు చేశారు.

ఎనియాక్ అంతర్గత నిర్మాణంలో ఈ రింగ్ కౌంటర్ల సమూహాలను “అక్యుమ్యులేటర్లు” (Accumulators) అంటారు. ఇందులో ఒక్కొక్క విభాగం ఒక్కొక్క పని చేస్తుంది : ఒక అక్యుమ్యులేటర్ ఆ చిన్న కాల వ్యవధిలోని గుండు వేగాన్ని నిల్వ చేస్తుంది. ఇంకొక అక్యుమ్యులేటర్ ఆ వేగం ఆధారంగా దూరాన్ని కూడుతుంది. మరొకటి గాలి నిరోధకత వల్ల తగ్గే వేగ వ్యత్యాసాలను తీసివేస్తుంది.

ఇలా ఒక చిన్న కాలఖండానికి సంబంధించిన లెక్కింపు పూర్తి కాగానే, ఆ ఫలితాన్ని ప్యానెల్ తీగెల ద్వారా తదుపరి కాలఖండం లెక్కించడానికి ఇన్‌పుట్‌గా పంపుతారు. ఈ విధంగా లక్షలాది చిన్న ఖండాల కూడికలను వరుస క్రమంలో అమర్చి మొత్తం గమన మార్గాన్ని (Trajectory) లెక్కించడాన్నే “న్యూమరికల్ ఇంటిగ్రేషన్” (Numerical Integration) అంటారు.

ఆరుగురు మహిళా ప్రోగ్రామర్లు – హార్డ్‌వేర్ ప్రోగ్రామింగ్

నియాక్ కంప్యూటర్ నిర్వహణలో ఆరుగురు మహిళా ప్రోగ్రామర్లు పనిచేశారు: కే మెక్‌నల్టీ (Kay McNulty, 1921 – 2006), బెట్టీ జెన్నింగ్స్ (Betty Jennings, 1924 – 2011), బెట్టీ స్నైడర్ (Betty Snyder, 1917 – 2001), మార్లిన్ వెస్కాఫ్ (Marlyn Wescoff, 1922 – 2008), ఫ్రాన్సెస్ బిలాస్ (Frances Bilas, 1922 – 2012), రూత్ ಲಿచ్‌టెర్‌మాన్ (Ruth Lichterman, 1924 – 1986).

ఎనియాక్ మహిళలు

కాల్పుల పట్టిక తయారు చేయవలసి వచ్చిన ప్రతిసారీ ఎనియాక్ లోని కేబుల్స్‌ను పూర్తిగా తొలగించి, మళ్లీ మొదటి నుండి కనెక్ట్ చేయాల్సి వచ్చేది. పట్టిక తయారీలో భాగంగా వందలాది వేర్వేరు గమన మార్గాలను (Trajectories) లెక్కించాల్సి ఉంటుంది. ఈ ఆరుగురు ప్రోగ్రామర్లు మొదట గణిత సమీకరణాలను విశ్లేషించి, ఆ విశ్లేషణ ఎనియాక్ స్విచ్‌లకు, అక్యుమ్యులేటర్లకు అర్థమయ్యేలా ఒక వివరణాత్మక వైరింగ్ ప్లాన్‌గా (Wiring blueprint) మార్చేవారు.

ఆ ప్లాన్ ప్రకారం కనెక్ట్ చేయడానికి రెండు మూడు రోజులు పట్టేది. ఒకసారి వైరింగ్ పూర్తయ్యాక, యంత్రాన్ని ఆన్ చేస్తే అది ఆ వందలాది లెక్కింపులను మానవ ప్రమేయం లేకుండా కేవలం కొన్ని నిమిషాల్లో పూర్తి చేసేది. సాధారణంగా ఒకటి రెండు వారాలకు ఒకసారి ఎనియాక్ పాత వైరింగ్‌ను పూర్తిగా తొలగించి, ఒక కొత్త సమీకరణం కోసం మళ్లీ ప్యానల్స్ మొత్తాన్ని కొత్తగా కలపాల్సి వచ్చేది.

ఎనియాక్‌కు ఒక పెద్ద సాంకేతిక పరిమితి ఉంది. దానికి అంతర్గత సాఫ్ట్‌వేర్ మెమరీ (Stored-program memory) లేదు. దాని హార్డ్‌వేర్ వైరింగే దాని ప్రోగ్రామ్. అందుకే, ఒక కొత్త రకమైన లెక్కింపు చేయాలంటే భౌతికంగా మనుషులు వచ్చి తీగెలు మార్చడం, స్విచ్‌లు తిప్పడం తప్ప వేరే మార్గం ఉండేది కాదు. ఎనియాక్ లెక్కింపులు చేసేటప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ల వేగంతో పనిచేస్తుంది; కానీ ఆ యంత్రాన్ని తదుపరి లెక్కింపునకు సిద్ధం చేయాలన్నా, దాని ప్రోగ్రామ్ మార్చాలన్నా ఆ ఆరుగురు మహిళలు రీ-వైరింగ్ చేయాల్సిందే.

ఎనియాక్ ని ఆపరేట్ చేస్తూ మహిళా ప్రోగ్రామర్లు

పరమాణు సిద్ధాంతం ఆవశ్యకత

టెలిఫోన్ వ్యవస్థలో AT&T సంస్థ, బాలిస్టిక్స్ లెక్కింపులలో ఎనియాక్ బృందం, శూన్య గొట్టాల మూలంగా ఎన్నో సాంకేతిక సమస్యలను ఎదుర్కొన్నాయి. వేలాది గొట్టాలు నిరంతరం వేడెక్కడం వల్ల వాటి జీవితకాలం తగ్గిపోవడం, విపరీతంగా విద్యుత్ శక్తి ఖర్చవడం వంటి లోపాలు ఈ శూన్య గొట్టాల పరిమితిని స్పష్టం చేశాయి.

ఈ సమస్యల నేపథ్యంలో శాస్త్రవేత్తలు ఒక మౌలికమైన ప్రశ్న వేసుకున్నారు. తమకి కావల్సిందల్లా ఎలక్ట్రాన్లను అదుపులో పెట్టడం. వాటిని బలవంతంగా శూన్యంలోకి లాగడం కంటే, అన్ని పదార్థాలలోనూ అంతర్గతంగా ఉండే ఎలక్ట్రాన్లను అవి ఉన్న చోటు నుండే నియంత్రించే మార్గం ఉందా?

దానికి జవాబు తెలుసుకోవాలంటే ఇరవయ్యో శతాబ్దపు మొదట్లో భౌతిక శాస్త్రంలో పరమాణువు అంతరంగాన్ని విశ్లేషిస్తూ జరిగిన విప్లవాత్మక పరిశోధనల గురించి తెలుసుకోవాలి. వచ్చే వ్యాసాలలో వాటిని పరిశీలిద్దాం.

మూలాలు:

1. Robert A. Chipman. De Forest and the Triode Detector. Scientific American. March 1965.
2. Scott McCatney. ENIAC: The Triumphs and Tragedies of the World’s First Computer. Walker and Company. 1999.
3. Kathy Kleiman. Proving Ground: The Untold Story of the Six Women Who Programmed the World’s First Modern Computer. Grand Central Publishing. 2022.