[Перевод] Взлёт и падение плазменных экранов

Терминал PLATO V. Источник: Wikipedia

В 1960 году группа из Иллинойсского университета запустила первую версию PLATO, «компьютеризированной обучающей системы». Со временем она разрослась в сеть из тысяч терминалов, подключённых к большим мейнфреймам. Пользователи PLATO могли проходить курсы по химии, математике, музыке, иностранным языкам и другим предметам.

В первой версии PLATO дисплеем терминала служил обычный телевизионный экран, но годилось это разве что как временная мера. В телевизорах стояли электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), которые рисовали изображение на стеклянном экране пучком электронов, отклоняемым магнитным полем. Луч перерисовывал весь экран 30 раз в секунду, так что компьютеру приходилось непрерывно гнать на трубку поток видеоданных, причём немаленький. Эфирному телевидению это не мешает: один и тот же сигнал идёт на все телевизоры сразу.

Но в PLATO каждому терминалу нужны были свои данные, в зависимости от того, что делает пользователь. Пришлось бы не только тянуть широкие каналы связи между мейнфреймами и терминалами, но и ставить в каждый терминал много памяти под видеоданные, а память тогда стоила баснословно дорого. Для небольшой системы на несколько терминалов ЭЛТ годились, но считалось, что на тысячи или миллионы терминалов, о которых мечтали создатели PLATO, такая схема не масштабируется. Нужен был экран нового типа, со встроенной «памятью». На нём пришлось бы перерисовывать только то, что изменилось, и требования к пропускной способности и объёму памяти по сравнению с ЭЛТ резко упали бы.

Дональд Битцер, один из архитекторов PLATO, перебирал способы сделать такой дисплей. Одним из вариантов была газовая плазма: если пропустить электрический ток через газ при низком давлении, газ начинает светиться. Заставлять разреженные газы светиться током учёные умели ещё с XVII века, а с начала XX века этот эффект использовали в неоновых вывесках. Но компьютерного дисплея на этом принципе ещё никто не делал. Для него понадобились бы тысячи, а то и миллионы независимо управляемых крошечных плазменных лампочек, по одной на каждый пиксель. Битцер решил, что попробовать стоит.

В 1962 году аспирант Битцера Роберт Уиллсон собрал модель плазменного экрана из одной ячейки, то есть фактически из одного пикселя. Это был «бутерброд» из трёх тонких стеклянных пластин: в средней было отверстие с крошечным объёмом аргона, а по обе стороны от него проходили провода. Когда через газ шёл ток, аргон ярко светился. Модель Уиллсона доказала, что плазменный экран в принципе возможен, но заодно показала, сколько проблем ещё предстоит решить. Яркость ячейки была непостоянной, детали быстро выгорали, утечки случались постоянно, а возбуждённый током газ со временем оседал на электродах и мешал прохождению тока. Вдобавок в конструкции Уиллсона каждой ячейке нужен был собственный резистор, чтобы между электродами не возникала дуга. Для полноразмерного дисплея это сильно усложнило бы производство: экрану 500 на 500 пикселей потребовалось бы 250 000 отдельно припаянных резисторов.

Прорыв случился в 1964 году, когда команда Битцера придумала вынести электроды наружу стеклянного бутерброда, и отдельные резисторы стали не нужны. Пока собирали тестовый дисплей новой конструкции, помогла счастливая случайность: в ячейку попало немного воздуха, и это дало дисплею тот самый эффект памяти, который искали. Газ продолжал светиться, даже когда напряжение на электродах снижали. К 1967 году команда довела однопиксельный дисплей до матрицы 16 на 16 пикселей (Weber, 2006), но это всё ещё был хрупкий прототип: утечки и загрязнения оставались обычным делом, а сверхтонкие стёкла (изначально это были предметные стёкла для микроскопа) легко бились.

В 1967 году стекольная компания Owens-Illinois купила лицензию на эту технологию, которую назвали «плазменным дисплеем», и взялась сделать из неё настоящий продукт. В Owens-Illinois убрали среднюю пластину, а вместе с ней и отдельные карманы с газом, и просто заполнили газом всё пространство между двумя внешними стёклами. Светился газ при этом только там, где пересекались электроды под напряжением, так что пикселями по-прежнему можно было управлять по отдельности. В 1968 году Owens-Illinois показала плазменный дисплей 128 на 128 пикселей, куда более прочный и надёжный, чем университетские прототипы, а в 1971 году выпустила Digivue, первую в мире серийную плазменную панель с разрешением 512 на 512. Первым её заказчиком стала система PLATO, которая вскоре разрослась до тысяч терминалов по всему миру.

Вот только пока плазменный экран доводили до ума, поменялись сами условия задачи. Изначально плазму задумывали как альтернативу ЭЛТ, которой нужна была громоздкая и дорогая внешняя память, но память тоже не стояла на месте. В конце 1960-х, пока в Иллинойсе строили прототипы плазменных экранов, исследователи IBM разработали DRAM, динамическую память, которая хранит данные с помощью транзисторов и конденсаторов. Вскоре её подхватил закон Мура: с каждым поколением память становилась меньше, быстрее и дешевле, и довольно скоро аппетиты ЭЛТ к памяти перестали быть заметной проблемой.

У плазменных экранов были и другие преимущества, помимо того, что их физика давала своего рода «память». ЭЛТ нужна громоздкая стеклянная колба, а плазменный дисплей можно сделать очень тонким. И потенциально плазма была гораздо прочнее ЭЛТ с её капризными электронными пушками, которые легко сбить с настройки.

Были у плазмы и недостатки: по сравнению с ЭЛТ она потребляла очень много энергии, светила не так ярко и стоила намного дороже. И хотя цветной плазменный экран в Иллинойсе испытали ещё в конце 1960-х, до цветной плазмы, достаточно надёжной для серийного выпуска, прошло ещё много лет.

К тому же плазма была не единственной новой технологией дисплеев начала 1970-х. В 1960-х учёные Westinghouse и RCA экспериментировали с дисплеями на жидких кристаллах. Это вещества, которые остаются жидкостью, но при этом обладают упорядоченной повторяющейся структурой, как у кристалла. Выяснилось, что молекулы жидкого кристалла меняют ориентацию в электрическом поле, а если пропустить через жидкий кристалл поляризованный свет (свет, колеблющийся в одной плоскости), плоскость его поляризации поворачивается. К концу 1960-х на этих эффектах построили дисплей. Первые жидкокристаллические (ЖК) экраны появились в 1970-х в калькуляторах и другой мелкой электронике, а к 1980-м их ставили уже в портативные телевизоры.

Плазму тем временем тоже понемногу улучшали. За следующие десятилетия инженеры придумали электроды получше, снизили энергопотребление и научились получать оттенки серого, быстро включая и выключая пиксели: чем дольше пиксель выключен, тем он темнее. Оттенки серого открыли дорогу полноцветным плазменным дисплеям, которые начали появляться в конце 1970-х.

Постепенно плазма заняла небольшую нишу на рынке дисплеев. В 1973 году IBM выпустила линейку банковского оборудования с плазменными дисплеями, а с середины 1970-х плазму начали ставить в военную технику: прочная конструкция почти не требовала обслуживания. В 1980-х появились ноутбуки и портативные компьютеры с монохромными плазменными экранами. Но к 1990-м ЖК продвинулись настолько, что для ноутбуков стали делать качественные цветные экраны, и с этого рынка плазму вытеснили полностью.

Ноутбук Toshiba T3100 с плазменным дисплеем. Источник: Wikipedia

Зато, уходя из ноутбуков, плазма нашла себе новый рынок: большие телевизоры высокой чёткости. До 1990-х телевизоры делали на ЭЛТ, но экраны от 40 дюймов и больше требовали огромной трубки: 45-дюймовый ЭЛТ-телевизор, который Sony выпустила в 1988 году, весил больше 180 килограммов. Плазменную панель, наоборот, можно было без особого труда сделать очень большой. Японская Fujitsu показала 31-дюймовый плазменный телевизор в 1990 году и 42-дюймовый в 1995-м. Американский стартап Plasmaco представил 60-дюймовую плазменную панель в 1999 году, а Samsung в 2005 году показала огромный 102-дюймовый плазменный экран.

Одновременно на тот же рынок пришли и ЖК, и к началу 2000-х их уже делали тех же размеров, что и плазму. У плазмы перед ЖК были свои плюсы, например более насыщенные цвета и более высокая частота обновления, но хватало и минусов. Плазменные экраны потребляли больше энергии, сильнее грелись и светили не так ярко, как ЖК. А при одинаковой диагонали ЖК-экран можно было сделать с гораздо более высоким разрешением, чем плазменный.

Главной же проблемой, скорее всего, было производство. Добиться у плазмы высокого выхода годных и низкой себестоимости оказалось труднее, чем у ЖК. Возможно, просто потому, что в производство ЖК вложили гораздо больше денег.

К середине 2000-х преимущество плазмы в качестве картинки либо сошло на нет, либо большинство покупателей его просто не замечало. В 2006 году обозреватели считали плазму и ЖК примерно равными по качеству, а продавались ЖК заметно лучше. Плазма и ЖК боролись за рынок телевизоров до начала 2010-х, но к 2013 году плазма потеряла почти всю свою долю. К концу десятилетия производство плазменных экранов практически свернули, и сегодня эта технология почти мертва.

Классический путь новой технологии выглядит примерно как S-кривая. Сначала она закрывает узкие задачи тех, кому нужен именно её набор свойств. Потом становится лучше и дешевле, и её применяют всё шире, пока не наступит какой-то пик. А когда её саму начинают вытеснять, она обычно проходит тот же путь в обратную сторону: из большинства применений её убирают, но за неё держатся те, кто ценит её особые качества. Иногда этого хватает, чтобы «устаревшая» технология прожила ещё очень долго. Транзисторы вытеснили электронные лампы почти отовсюду ещё десятилетия назад, а лампы для некоторой аудиотехники выпускают до сих пор. А иногда не хватает. Кому-то картинка на плазме нравится больше, но, судя по всему, этого оказалось мало, чтобы плазменные экраны продолжали выпускать.