Други статии от цикъла:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Повече от сто години аналоговото куче размахва цифровата си опашка. Опитите за разширяване на възможностите на нашите органи на сетивата – зрението, слуха и дори, в известен смисъл, осезанието, водеха инженерите и учените към търсенето на по-добри компоненти за телеграфа, телефона, радиото и радарите. Единствено по щастлива случайност тези търсения откриха пътя към създаването на нови типове цифрови машини. И аз реших да разкажа историята на тази постоянна , по време на която инженерите по електросвързване предоставяли изходни материали за първите цифрови компютри, а понякога дори сами проектирали и създавали тези компютри.
Но до 60-те години на миналия век това плодотворно сътрудничество приключи, а с него и моята история. Производителите на цифрово оборудване вече не трябваше да надничат в света на телеграфа, телефона и радиото, за да търсят нови, подобрени превключватели, тъй като самият транзистор осигури неизчерпаем източник на подобрения. Година след година те копаеха все по-дълбоко и по-дълбоко, винаги намирайки начини за експоненциално увеличаване на скоростта на работа и намаляване на цената.
Обаче нищо от това не би се случило, ако изобретението на транзистора беше спряло на .
Бавен старт
В популярната преса нямаше активен ентусиазъм по повод обявлението на лабораториите на Бел, относно изобретението на транзистора. На 1 юли 1948 г. в The New York Times на това събитие бяха отделени три абзаца в долната част на резюмето "Новини от радиото". И тази новина се появи след други, очевидно считани за по-важни: например, часовото радиошоу "Време на вълците", което трябваше да се излъчи по NBC. С обратно мислене, може би бихме искали да се подсмихнем или дори да укорим неизвестните автори – как успяха да не разпознаят събитие, променило света?
Но погледът назад изкривява възприятието, подсилвайки сигналите, чиято значимост познаваме, макар в онзи момент да са се изгубили в море от шум. Транзисторът от 1948 година много се различаваше от транзисторите на компютрите, на един от които четете тази статия (освен ако не сте решили да я отпечатате). Разликите бяха толкова значителни, че, въпреки общото наименование и непрекъснатата линия на наследството, те трябва да се считат за различни видове, ако не и за различни родове. Те имат различен състав, различна структура, различен принцип на функциониране, да не споменаваме огромната разлика в размерите. Само благодарение на постоянните преоткрития, тромавото устройство, построено от Бардин и Бретейн, успя да преобрази света и нашия живот.
Всъщност, германиевият транзистор с една точка на контакт не заслужаваше повече внимание, отколкото получи. Той имаше няколко дефекта, наследени от електронната лампа. Беше, разбира се, много по-малък от най-компактните лампи. Липсата на нажежаема нишка означаваше, че отделя по-малко топлина, консумира по-малко енергия, не изгаря и не изисква предварително загряване преди употреба.
Обаче натрупването на мръсотия на контактната повърхност водеше до откази и намаляваше потенциала за по-дълъг срок на служба; даваше по-шумен сигнал; работеше само при ниски мощности и в тесен честотен диапазон; отказваше при наличието на горещина, студ или влажност; и не можеше да се произвежда с еднородно качество. Няколко транзистора, създадени по един и същ начин от едни и същи хора, щяха да имат изразително различни електрически характеристики. И всичко това идваше с цена осем пъти по-висока от стандартната лампа.
Само през 1952 година лабораториите на Белл (и други притежатели на патенти) решиха производствени проблеми достатъчно, за да станат транзисторите с една точка на контакт практични устройства, и дори тогава те не се разпространиха особено извън пазара на слухови апарати, където чувствителността към цените беше относително ниска, а предимствата по отношение на времето на работа от акумулатора надвишаваха недостатъците.
Въпреки това, вече започнаха първите опити да се преобразува транзисторът в нещо по-добро и полезно. Всъщност те започнаха много преди обществеността да разбере за неговото съществуване.
Амбициите на Шокли
В края на 1947 г. Бил Шокли с голямо вълнение предприема пътуване до Чикаго. Той имаше неясни идеи за това как да надмине наскоро изобретения транзистор от Бардин и Бретейн, но все още не му представи възможност да ги разработи. Затова, вместо да се наслаждава на почивката между етапите на работата, той прекара Коледа и Нова година в хотел, попълвайки около 20 страници от бележника си с идеи. Между тях беше предложението за нов транзистор, състоящ се от полупроводников сандвич – парче от германий p-тип между две парчета n-тип.
Насърчен от наличието на такъв туз в ръкава, Шокли предяви на Бардин и Бретейн претенции при завръщането им в Мюррей-Хил, изисквайки цялата слава за изобретението на транзистора. Нали неговата идея за полевия ефект накара Бардин и Бретейн да заседят в лабораторията? Не трябва ли по тази причина всичките права на патента да бъдат предадени на него? Въпреки това, хитростта на Шокли се обърна срещу него: патентните юристи на лабораториите на Бел, откриха, че неизвестният изобретател, , е патентовал полупроводников усилвател на полевия ефект почти 20 години преди това, през 1930 г. Лилиенфелд, разбира се, така и не реализира своята идея, отчитано състоянието на материалите по онова време, но рискът от пресичане беше прекалено голям – по-добре беше напълно да се избегне споменаването на полевия ефект в патента.
Така че, въпреки че лабораториите на Бел издадоха на Шокли щедра доза слава на изобретателя, в патента те споменават само Бардин и Бретейн. Въпреки това, фактите не могат да бъдат променени: амбициите на Шокли унищожиха отношенията му с двамата подчинени. Бардин спря да работи върху транзистора и се съсредоточи върху свръхпроводимостта. Той напусна лабораторията през 1951 година. Бретейн остана там, но отказа да работи отново със Шокли и настояваше за прехвърляне в друга група.
Заради неспособността да работи с другите, Шокли не напредна в лабораториите, поради което също напусна. През 1956 г. той се завърна вкъщи в Пало Алто, за да основе собствена компания за производство на транзистори, Shockley Semiconductor. Преди заминаването си той се раздели с жена си Джийн, докато тя се възстановяваше от рак на матката, и започна връзка с Емми Ленинг, на която скоро се ожени. Но от двете половини на неговата калифорнийска мечта – новата компания и новата съпруга – се осъществи само едната. През 1957 г. най-добрите му инженери, разгневени от стила му на управление и посоката, в която водеше компанията, напуснаха, за да основе нова фирма, Fairchild Semiconductor.
Шокли през 1956
И така, Шокли остави празната обвивка на своята компания и се устрои в катедрата по електротехника в Станфорд. Там той продължи да отблъсква колегите си (и своя най-стар приятел, физика ) интересувайки ги с теориите си за расово израждане и – теми, непопулярни в САЩ от времето на последната война, особено в академичните кръгове. Той намираше удоволствие в провокиране на спорове, нагнетяване на медиите и предизвикване на протести. Умира през 1989 г., отдалечен от децата и колегите, и посещаван само от вече предана втора жена, Емми.
Въпреки че жалките му опити в бизнеса се провалиха, Шокли посея семето в плодородна почва. Заливът на Сан Франциско произведе множество малки компании, произвеждащи електроника, подпомогнати от федералното финансиране по време на войната. Fairchild Semiconductor, случайно потомство на Шокли, роди десетки нови компании, някои от които са известни и днес: Intel и Advanced Micro Devices (AMD). До началото на 70-те години тази област получи подигравателно име „Силициева долина“. Но подождите – нали Бардин и Бретейн създадат германиевия транзистор. От къде дойде силиция?
Така през 2009 г. изглеждаше изоставеното място в Маунтин Вю, където преди се намираше Shockley Semiconductor. Днес сградата е разрушена.
К силициевия кръстопът
Съдбата на новия тип транзистор, измислен от Шокли в хотел в Чикаго, беше значително по-щастлива от тази на неговия изобретател. Всичко това благодарение на стремежа на един човек да отглежда единични чисти полупроводникови кристали. Гордън Тил, физически химик от Тексас, който изследваше безполезния тогава германий за своята докторска работа, се устрои на работа в лабораторията на Белл през 30-те години. Научавайки за транзистора, той осъзна, че неговата надеждност и мощност могат да бъдат значително подобрени, ако се създаде от чист монокристал, а не от използваните тогава поликристални смеси. Шокли отхвърли опитите му, смятайки ги за напразна загуба на ресурси.
Въпреки това, Тил упорстваше и постигна успех, с помощта на механичния инженер Джон Литъл, създавайки апарат, който издърпваше малкия зародиш на кристала от разтопен германий. Охлаждайки се около зародиша, германий разширяваше кристалната си структура, създавайки непрекъснат и почти чист полупроводников решетка. До пролетта на 1949 г. Тил и Литъл можеха да произвеждат кристали по поръчка, а тестовете показаха, че те оставят далеч зад себе си поликристалните си конкуренти. По-специално, добавените в тях неосновни носители можеха да оцелеят в рамките на стотици микросекунди или дори повече (в сравнение с не повече от десет микросекунди в други заявки за кристали).
Сега Тил можеше да си позволи повече ресурси и нае в екипа си повече хора, сред които имаше още един физически химик, който дойде в лабораториите на Белл от Тексас – Морган Спаркс. Те започнаха да променят разтопеното вещество за производство на германий p-типа или n-типа, добавяйки съответните примеси. За една година те усъвършенстваха технологията до такава степен, че можеха да отглеждат германиев n-p-n сандвич директно в разтопеното вещество. И той работеше точно както предсказваше Шокли: електрическият сигнал на p-типа материал модулираше електрическия ток между два проводника, свързани с околните парченца от n-типа.
Морган Спаркс и Гордън Тил пред работната маса в лабораториите на Белл
Този транзистор с отгледан преход надмина своя предшественик с едно точково свързване почти във всяко отношение. По-специално той стана по-надежден и предсказуем, генерираше много по-малко шум (и следователно беше по-чувствителен) и изключително енергийно ефективен - консумираше милион пъти по-малко енергия от типична електронна лампа. През юли 1951 г. лабораториите на Белл организираха още една пресконференция, за да обявят новото изобретение. Още преди първият транзистор да успее да излезе на пазара, той всъщност вече стана незначителен.
И все пак това беше само началото. През 1952 г. General Electric (GE) обяви разработването на нов процес за производство на транзистори с преход, метода на легиране. В рамките на него два топчета индий (донор p-тип) се легираха от двете страни на тънък ломтик германий n-тип. Този процес беше по-прост и по-евтин от отглеждането на преходи в легир, такъв транзистор даваше по-малко съпротивление и поддържаше по-високи честоти.
Отгледани и легирани транзистори
Следващата година Гордън Тил реши да се върне в родния си щат и започна работа в Texas Instruments (TI) в Далас. Компанията бе основана под името Geophysical Services, Inc., и първоначално произвеждаше оборудване за разузнаване на нефтени находища, TI отвори отдел за електроника по време на войната и сега навлизаше на пазара на транзистори по лиценз от Western Electric (производственото подразделение на лабораториите на Белл).
Тил донесе със себе си нови умения, придобити в лабораториите: способността да отглежда и монокристали силиций. Най-очевидната слабост на германий беше чувствителността му към температура. Изправен пред топлина, атомите на германий в кристала бързо освобождаваха свободни електрони и той все повече се превръщаше в проводник. При температура от 77 °C той изобщо спираше да функционира като транзистор. Основната цел на продажбите на транзистори бяха въоръжените сили - потенциален потребител с ниска чувствителност към цена и огромна нужда от стабилни, надеждни и компактни електронни компоненти. Въпреки това, чувствителният към температура германий нямаше да бъде полезен в много случаи на военно използване, особено в аерокосмическата област.
Силиконът беше много по-стабилен, но цената беше значително по-висока, сравнима с точката на топене на стомана. Това създаваше огромни трудности, като се има предвид, че за производството на висококачествени транзистори бяха необходими много чисти кристали. Горещият разтопен силикон би абсорбирал замърсявания от всяка тигел, в който се намираше. Тил с екипа от TI успяха да преодолеят тези трудности с помощта на свръхчисти образци силикон от DuPont. През май 1954 г. на конференция на института по радиоинженерство в Дейтън (Охайо) Тил демонстрира, че новите силиконови устройства, произведени в неговата лаборатория, продължават да работят дори при потапяне в горещо масло.
Успешни излезли на преден план
Накрая, около седем години след първото изобретение на транзистора, той беше готов за производство от материал, с който стана синоним. И още около толкова време ще мине, докато се появят транзистори, грубо напомнящи формата, използвана в нашите микропроцесори и чипове памет.
През 1955 г. учени от лабораториите на Бел се научиха успешно да произвеждат силиконови транзистори с нова технология на легиране – вместо да добавят твърди частици на примеси в течен разтоп, те интегрираха газообразни добавки в твърдата повърхност на полупроводника (). Стриктно контролирайки температурата, налягането и продължителността на процедурата, те постигнаха точно необходимата дълбочина и степен на легиране. Увеличаването на контрола над производствения процес доведе до подобряване на електрическите свойства на крайния продукт. Както е важно, термодифузията позволи производството на продукта на партиди – можеше да се легира голямо силиконово плато, а след това да се нареже на транзистори. Войските осигуриха финансиране на лабораториите на Бел, тъй като за организиране на производството бяха необходими високи предварителни разходи. Им трябваше нов продукт за линията с ултрависока честота на ранното радиолокационно откриване („«), верижна система на арктически radarни станции, предназначени за откритие на съветските бомбардировачи, летящи от Северния полюс, и те бяха готови да платят по $100 за транзистор (това бяха времена, когато нов автомобил можеше да се купи за $2000).
Легиране заедно с , управляваща разположението на примесите, открива възможността за травене на целия контур изцяло на една полупроводникова основа – в същото време, на това също се сетиха в Fairchild Semiconductor и Texas Instruments през 1959. «» от Fairchild използваше химично отлагане на метални филми, свързващи електрическите контакти на транзистора. Тя елиминираше необходимостта от ръчно изграждане на проводници, намаляваше производствените разходи и увеличаваше надеждността.
Накрая, през 1960 г. двама инженери от лабораториите на Белл (Джон Аталла и Девън Кан) реализираха оригиналната концепция на транзистора на полевия ефект на Шокли. Тънкият слой оксид на повърхността на полупроводника успяваше ефективно да потиска повърхностните състояния, в резултат на което електрическото поле от алуминиевия затвор проникваше в силиция. Така се роди MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (или МОП-структура, от метал-оксид-полупроводник), който се оказа толкова лесен за миниатюризиране и който все още се използва почти във всички съвременни компютри (интересно е, че Аталла е родом от Египет, а Кан от Южна Корея, и практически само тези двама инженери от цялата ни история нямат европейски корени).
Накрая, тринадесет години след изобретението на първия транзистор, се появи нещо, което напомня на транзистора на вашия компютър. Той беше по-лесен за производство, използваше по-малко енергия, отколкото плоскостният транзистор, но реагираше доста бавно на сигналите. Само след разпространението на големи интегрални схеми с стотици или хиляди компоненти, разположени на един чип, предимствата на полевите транзистори излязоха на преден план.
Илюстрация от патента за полеви транзистор
Полевият ефект стана последният сериозен принос на лабораториите на Белла в разработката на транзистора. Големи производители в електрониката, като лабораториите на Белла (с тяхната Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse, натрупаха впечатляващ обем изследвания в полупроводниците. От 1952 до 1965 година само лабораториите на Белла регистрираха над двеста патента по тази тема. И все пак търговският пазар бързо премина в ръцете на нови играчи като Texas Instruments, Transitron и Fairchild.
Ранният пазар на транзистори беше твърде малък, за да привлече вниманието на големите играчи: около 18 милиона долара годишно в средата на 50-те години, в сравнение с общия обем на пазара на електроника от 2 милиарда долара. Въпреки това изследователските лаборатории на тези гиганти изпълняваха ролята на непреднамерени тренировъчни лагери, където млади учени можеха да усвоят познания за полупроводниците, за да преминат след това към предлагане на своите услуги на по-малки фирми. Когато пазарът на лампова електроника в средата на 60-те години започна сериозно да се свива, за лабораториите на Белла, Westinghouse и останалите вече беше твърде късно да се състезават с новодошлите.
Преход на компютрите към транзистори
В 50-те години транзисторите нахлуха в света на електрониката в четири най-значими области. Първите две бяха слухови апарати и портативни радиоприемници, в които ниското потребление на енергия и, следователно, дългото време на работа с батерия преобладаваха над останалите съображения. Третото беше военното приложение. Армията на САЩ възлагаше големи надежди на транзисторите, като надеждни и компактни компоненти, които могат да се използват навсякъде, от полеви радио до балистични ракети. Въпреки това в началото техните разходи за транзистори повече наподобяваха залог на бъдещето на технологията, отколкото доказателство за тяхната тогавашна стойност. Накрая, имаше и цифрови изчисления.
В сферата на компютрите недостатъците на превключвателите с електронни лампи са били добре известни, като някои скептици преди войната дори смятаха, че електронен компютър не може да се направи практично устройство. Когато хиляди лампи се събираха в едно устройство, те поглъщаха електрическа енергия, издавайки огромно количество топлина, а що се отнася до надеждността, можеше да се разчита само на тяхното редовно изгаряне. Затова нископотребляващият, студен и без нишка транзистор стана спасител за производителите на компютри. Недостатъците му като усилвател (например, по-шумният изходен сигнал) не представляваха толкова голям проблем при използването му като превключвател. Единственото препятствие беше цената, и в своето време тя започна рязко да пада.
Всички ранни американски експерименти с транзисторни компютри се случваха на кръстовището между желанието на военните да проучат потенциала на обещаващата нова технология и желанието на инженерите да преминат към подобрени превключватели.
В лабораториите на Белл през 1954 година е построен TRADIC за ВВС на САЩ, за да видят дали транзисторите ще позволят инсталирането на цифров компютър на борда на бомбардировача, заменяйки аналоговата навигация и помощта в търсенето на цели. Лабораторията Линкълн от MIT разработи компютър TX-0 в рамките на обширен проект за ПВО през 1956. Машината използваше друг вариант на транзистора, повърхностно-бариера, който беше добре подходящ за високоскоростни изчисления. Philco построи своя компютър SOLO по поръчка на ВМФ (обаче всъщност – по искане на АНБ), завършвайки го през 1958 (използвайки още един вариант на повърхностно-бариера транзистор).
В Западна Европа, не толкова осигурена с ресурси по време на Студената война, историята беше съвсем различна. Такива машини като Manchester Transistor Computer, (още едно име, вдъхновено от проекта ENIAC и кодирано с обратно писане), и австрийският бяха странични проекти, използващи ресурсите, които техните създатели можеха да съберат – включително транзистори с една точка на контакт от първото поколение.
Има много споров относно титлата на първия компютър, който е използвал транзистори. Всичко зависи от правилния избор на определения за думи като "първи", "транзисторен" и "компютър". Въпреки това е известно къде свършва историята. Комерсиализацията на транзисторните компютри започна почти веднага. Година след година компютрите на една и съща цена ставаха все по-мощни, а компютрите с една и съща мощност ставаха все по-евтини, и този процес изглеждаше толкова неизменен, че бе възведен в ранг на закон, редом с гравитацията и закона за запазване на енергията. Трябва ли да спорим за това, кой камък стана първият в пропаста?
От къде идва законът на Мур?
Приближавайки се към края на историята на превключвателя, е уместно да зададем въпроса: какво доведе до появата на тази пропаст? Защо законът на Мур съществува (или съществуваше - за това ще спорим друг път)? За самолети или прахосмукачки няма закон на Мур, както няма такъв за електронни лампи или реле.
Отговорът се състои от две части:
- Логическите свойства на превключвателя като категория артефакт.
- Възможността за използване на чисто химически процеси за производството на транзистори.
Първо за същността на превключвателя. Свойствата на повечето артефакти трябва да отговарят на широк спектър от неизменни физически ограничения. Пътническият самолет трябва да издържа общото тегло на много хора. Прахосмукачката трябва да може да всмуква определено количество мръсотия за определено време с определена физическа площ. Самолетите и прахосмукачките биха били безполезни, ако бъдат намалени до наномасшаб.
При превключвателя - автоматизиран превключвател, който никога не е бил докосван от човешка ръка - физическите ограничения са много по-малко. Той трябва да има две различни състояния и трябва да може да известява другите подобни превключватели за промяната на техните състояния. Тоест, всичко, което трябва да може, е да се включва и изключва. Какво е толкова специално в транзисторите? Защо другите видове цифрови превключватели не са имали такива експоненциални подобрения?
Тук ние достигаме до втория факт. Транзисторите могат да се произвеждат чрез химически процеси без механично вмешателство. От самото начало ключовият елемент в производството на транзистори е бил прилагането на химически примеси. След това се появи планарният процес, който премахна последната механична стъпка от производството – свързването на проводниците. В резултат на това се елиминира последното физическо ограничение за миниатюризация. Транзисторите вече не трябваше да бъдат достатъчно големи, за да могат да се манипулират с човешки пръсти – или с каквото и да е механично устройство. Всичко правеше простата химия на неизмеримо малък мащаб: киселина за травене, светлина за контролиране на частите от повърхността, които ще устоят на травенето, и пари за внедряване на примеси и метални филми върху травените повърхности.
А защо е необходима миниатюризация? Намаляването на размера даваше цяла серия от приятни странични ефекти: увеличаване на скоростта на превключване, намаляване на консумацията на енергия и цената на отделните единици. Тези мощни стимули подтикнаха всички да търсят начини за по-нататъшно намаляване на превключвателите. И полупроводниковата индустрия премина през живота на един човек от производството на превключватели с размер на нокът до опаковането на десетки милиони превключвателя на квадратен милитър. От искането на осем долара за един превключвател до предлагането на двайсет милиона превключвателя за един долар.
Чипът за памет Intel 1103 от 1971 година. Отделните транзистори, с размери от само десетки микрометри, вече са неразличими с окото. А от тогава те са намалели още хиляда пъти.
Какво още да прочетете:
- Ернест Бруан и Стюарт МаКдоналд, Революция в Миниатюрата (1978)
- Michael Riordan и Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Джоел Шуркин, Разрушен Гений (1997)
Източник: habr.com
