La tecnologia a valvole richiedeva una grande quantità di elettricità. Il computer ENIAC (1946) aveva più di 17.000 tubi e subiva un guasto ai tubi (che richiedeva 15 minuti per essere localizzato) in media ogni due giorni. In funzione l’ENIAC consumava 150 kilowatt di potenza, di cui 80 kilowatt erano usati per il riscaldamento dei tubi, 45 kilowatt per gli alimentatori DC, 20 kilowatt per i ventilatori e 5 kilowatt per l’attrezzatura ausiliaria delle schede perforate.
Perché il guasto di uno qualsiasi delle migliaia di tubi in un computer poteva causare errori, l’affidabilità dei tubi era di grande importanza. Tubi di qualità speciale sono stati costruiti per il servizio del computer, con standard più elevati di materiali, ispezioni e test rispetto ai tubi standard di ricezione.
Un effetto del funzionamento digitale che raramente appariva nei circuiti analogici era l’avvelenamento catodico. I tubi a vuoto che funzionavano per lunghi intervalli senza corrente di piastra sviluppavano uno strato ad alta resistività sui catodi, riducendo il guadagno del tubo. Per i tubi dei computer erano necessari materiali appositamente selezionati per prevenire questo effetto. Per evitare gli stress meccanici associati al riscaldamento dei tubi alla temperatura d’esercizio, spesso i riscaldatori dei tubi avevano la loro piena tensione operativa applicata lentamente, per un minuto o più, per prevenire fratture legate allo stress dei riscaldatori catodici. L’alimentazione dei riscaldatori poteva essere lasciata accesa durante il tempo di standby della macchina, con l’alimentazione delle piastre ad alta tensione spenta. Il test marginale era incorporato nei sottosistemi di un computer a valvole; abbassando le tensioni delle piastre o dei riscaldatori e testandone il corretto funzionamento, si potevano individuare i componenti a rischio di guasti precoci. Per regolare tutte le tensioni di alimentazione e prevenire picchi e cali dalla rete elettrica che influenzassero il funzionamento del computer, l’alimentazione era derivata da un gruppo motore-generatore che migliorava la stabilità e la regolazione delle tensioni di alimentazione.
Due grandi tipi di circuiti logici erano usati nella costruzione di computer a valvole. Il tipo “asincrono” o diretto, accoppiato in corrente continua, usava solo resistenze per connettersi tra le porte logiche e all’interno delle porte stesse. I livelli logici erano rappresentati da due tensioni ampiamente separate. Nel tipo di logica “sincrona” o “a impulsi dinamici”, ogni stadio era accoppiato da reti di impulsi come trasformatori o condensatori. Ogni elemento logico aveva un impulso di “clock” applicato. Gli stati logici erano rappresentati dalla presenza o assenza di impulsi durante ogni intervallo di clock. I design asincroni potenzialmente potevano operare più velocemente, ma richiedevano più circuiti per proteggersi dalle “corse” logiche, poiché diversi percorsi logici avrebbero avuto un tempo di propagazione diverso dall’ingresso all’uscita stabile. I sistemi sincroni evitavano questo problema, ma avevano bisogno di circuiti extra per distribuire un segnale di clock, che poteva avere diverse fasi per ogni stadio della macchina. Gli stadi logici ad accoppiamento diretto erano in qualche modo sensibili alla deriva dei valori dei componenti o a piccole correnti di dispersione, ma la natura binaria del funzionamento dava ai circuiti un considerevole margine contro il malfunzionamento dovuto alla deriva. Un esempio di calcolo “a impulsi” (sincrono) era il MIT Whirlwind. I computer IAS (ILLIAC e altri) usavano stadi logici asincroni ad accoppiamento diretto.
I computer a tubi usavano principalmente triodi e pentodi come elementi di commutazione e amplificazione. Almeno un tubo di gating appositamente progettato aveva due griglie di controllo con caratteristiche simili, che gli permettevano di implementare direttamente una porta AND a due ingressi. I tirroni erano a volte usati, come per pilotare dispositivi I/O o per semplificare la progettazione di chiavette e registri di mantenimento. Spesso i computer a tubi a vuoto facevano ampio uso di diodi a stato solido (“cristallo”) per eseguire funzioni logiche AND e OR, e usavano i tubi a vuoto solo per amplificare i segnali tra gli stadi o per costruire elementi come flip-flop, contatori e registri. I diodi a stato solido riducevano le dimensioni e il consumo di energia della macchina nel suo complesso.