Други статии от цикъла:
- История на реле
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Повече от сто години аналоговото куче е размахвало цифровия си опашка. Опитите да разширим възможностите на нашите органи на чувствата – зрението, слуха и дори, в известен смисъл, осезанието, доведоха инженери и учени до търсене на най-добрите компоненти за телеграфа, телефона, радиото и радарите. Единствено по щастлива случайност тези търсения откриха път към създаването на нови типове цифрови машини. И реших да разкажа историята на това постоянно , по време на което инженери по електрозв’язък доставяха основни материали за първите цифрови компютри, а понякога дори сами проектираха и създаваха тези компютри.
Но до 60-те години на миналия век това плодовито сътрудничество приключи, а с него и моята история. Производителите на цифрово оборудване вече не трябваше да поглеждат в света на телеграфа, телефона и радиото за нови, подобрени превключватели, тъй като самият транзистор осигури неизчерпаем източник на подобрения. Година след година те копаеха все по-дълбоко, винаги намирайки начини да увеличават експоненциално скоростта на работа и да намаляват разходите.
Обаче нищо от това нямаше да се случи, ако изобретението на транзистора беше спряло на .
Бавен старт
В популярната преса не се наблюдаваше активен ентусиазъм относно обявяването на лабораториите Бел Лабс за изобретяването 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". Освен това, тази новина се появи след други, очевидно считани за по-важни: например, часовото радиошоу "Време на танц", което трябваше да бъде излъчено на NBC. С оглед на това може би искрено ще искаме да се посмеем или дори да разкритикуваме неизвестните автори – как успяха да не разпознаят събитие, което промени света?
Въпреки това, погледът в миналото изкривява възприятията, засилвайки тези сигнали, значимостта на които ни е известна, въпреки че по онова време те се губеха в море от шум. Транзисторът от 1948 година се различаваше значително от транзисторите на компютрите, на един от които четете тази статия (освен ако не решихте да я разпечатате). Разликите бяха толкова големи, че, въпреки идентичността на името и непрекъснатата линия на наследство, трябва да се считат за различни видове, ако не и различни родове. Те имаха различен състав, различна структура, различен принцип на функциониране, да не говорим за гигантската разлика в размерите. Само благодарение на постоянните повторни изобретения, неукото устройство, създадено от Бардин и Бретейн, успя да преобрази света и нашия живот.
На практика, германиевият транзистор с една контактна точка не заслужаваше внимание повече от онова, което получи. Той имаше няколко дефекта, наследени от електронната лампа. Разбира се, той беше много по-малък от най-компактните лампи. Липсата на нажежена нишка означаваше, че произвежда по-малко топлина, консумира по-малко енергия, не прегаря и не изисква предварително затопляне преди употреба.
Въпреки това, натрупването на мръсотия на контактната повърхност водеше до неизправности и обезсилваше потенциала за по-дълъг живот; той даваше по-шумен сигнал; работеше само при ниски мощности и в тесен честотен обхват; отказваше при наличие на топлина, студ или влага; и не можеше да бъде произведен еднообразно. Няколко транзистора, създадени по един и същ начин от едни и същи хора, щяха да имат значително различни електрически характеристики. И всичко това беше съпроводено с цена, осем пъти по-висока от стандартната лампа.
Само към 1952 година лабораториите на Белла (и другите притежатели на патенти) решиха производствените проблеми, достатъчни за това, за да станат транзисторите с една контактна точка практически устройства, и дори тогава те не се разпространиха особено извън пазара за слухови апарати, на който чувствителността към цените беше сравнително ниска, а предимствата, свързани с времето на работа от акумулатор, надвишаваха недостатъците.
Въпреки това, тогава вече започнаха първите опити да се превърне транзисторът в нещо по-добро и по-полезно. Всъщност те започнаха много по-рано от момента, в който обществото разбира за съществуването му.
Амбициите на Шокли
В края на 1947 година Бил Шокли, в голямо вълнение, направи пътуване до Чикаго. Той имаше неясни идеи как да надмине наскоро изобретения транзистор на Бардин и Бретейн, но все още не успя да ги разработи. Затова вместо да се наслаждава на прекъсването между етапите в работата, той прекара Коледа и Нова година в хотел, попълвайки около 20 страници в бележника си с идеи. Сред тях имаше предложение за нов транзистор, състоящ се от полупроводников сандвич – парче от p-тип германий между два парчета n-тип.
Подбуждаен от наличието на такъв ас в ръкава си, Шокли отправи претенции към Бардин и Бретейн, когато се върнаха в Мюррей-Хил, исквайки цялата слава за изобретението на транзистора. Нали неговата идея за полевия ефект накара Бардин и Бретейн да се засидят в лабораторията? Нали трябваше заради това да му се предадат всички права върху патента? Въпреки това, тактиката на Шокли му изигра лоша шега: патентните юристи на Белл лабораториите установили, че неизвестен изобретател, , патентовал полупроводников усилвател на полевия ефект почти 20 години преди това, през 1930 година. Лилиенфелд, разбира се, така и не реализира идеята си, поради състоянието на материалите по онова време, но рискът от препокриване беше твърде голям – по-добре беше напълно да се избегне споменаването на полевия ефект в патента.
Така, въпреки че лабораториите на Белл дали на Шокли щедра доза слава на изобретателя, в патента споменали само Бардин и Бретейн. Но, каквото е направено, не може да се върне назад: амбициите на Шокли унищожиха отношенията му с двамата подчинени. Бардин спря да работи над транзистора и се концентрира върху свръхпроводимостта. Той напусна лабораториите през 1951 година. Бретейн остана там, но отказа да работи отново с Шокли и настоя за преместване в друга група.
Поради невъзможността да работи с другите, Шокли не успя да напредне в лабораториите и затова напусна. През 1956 г. се върна у дома в Пало Алто, за да основе собствена компания за производство на транзистори, Shockley Semiconductor. Преди да си тръгне, се раздели с жена си Джийн, докато тя се възстановяваше от рак на матката, и започна връзка с Емми Ленинг, с която скоро се ожени. Но от двете части на неговата калifornийска мечта – новата компания и новата съпруга – се сбъдна само едната. През 1957 г. най-добрите му инженери, разгневени от стила му на управление и посоката, в която той водеше компанията, го напуснаха, за да основат нова фирма, Fairchild Semiconductor.
Шокли през 1956
Така Шокли остави празна обвивка на компанията си и се настани в катедрата по електротехника в Станфорд. Там той продължаваше да отблъсква колегите си (и най-стария си приятел, физика ) с теории, които го интересуваха за расово израждане и – теми, които не бяха популярни в САЩ от края на последната война, особено в академичните кръгове. Той намираше удоволствие в провокиране на спорове, възбуждане на медиите и предизвикване на протести. Умря през 1989 г., отдалечавайки се от децата и колегите си, и напомнян само от вечно преданата му втора съпруга, Емми.
Въпреки жалките му опити в предприемачеството, Шокли засее семена в плодородна почва. Заливът Сан Франциско произвежда много малки компании, произвеждащи електроника, които бяха подсилени с финансиране от федералното правителство 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 1970-те години тази област получи иронично прякор „Силиконова долина“. Но подождите – нали Бардин и Бретейн създали германиевия транзистор. Откъде се взе силицият?
Така в 2009 г. изглеждаше изоставеното място в Маунтин Вю, където преди се е намирала Shockley Semiconductor. Днес сградата е съборена.
К към силициевия кръстопът
Съдбата на новия тип транзистор, създаден от Шокли в хотел в Чикаго, беше много по-щастлива от тази на неговия изобретател. Всичко благодарение на стремежа на един човек да отглежда чисти полупроводникови кристали. Гордън Тийл, физически химик от Тексас, изучавал тогава безполезния германий за своята докторска степен, започнал работа в лабораторията на Бел. Когато научил за транзистора, той се убеди, че неговата надеждност и мощност могат да бъдат значително подобрени чрез създаването му от чист монокристал, а не от използваните тогава поликристални смеси. Шокли отхвърли неговите опити, считайки ги за безполезно разхищение на ресурси.
Въпреки това, Тийл настоятелстваше и постигна успех, като с помощта на инженер-механик Джон Литъл създаде апарат, който извлича малкия зародиш на кристал от разтопен германий. Охлаждайки се около зародиша, германият разширяваше кристалната си структура, създавайки непрекъсната и почти чиста полупроводникова решетка. До пролетта на 1949 г. Тийл и Литъл можеха да създават кристали по поръчка, и тестовете показаха, че те оставят далеч зад себе си своите поликристални конкуренти. По-специално, добавените в тях неосновни носители можеха да оцеляват вътре стотици микросекунди или дори по-дълго (в сравнение с не повече от десет микросекунди в други проби от кристали).
Сега Тийл можеше да си позволи повече ресурси и събра екипа си от повече хора, сред които имаше още един физически химик, дошъл в лабораторията на Бел от Тексас – Морган Спаркс. Те започнаха да променят разтавор за производство на германий p-тип или n-тип, добавяйки топчета от съответните примеси. Още за година те усъвършенстваха технологията до такава степен, че можеха да отглеждат германиев n-p-n сандвич директно в разтавор. И той работеше точно така, както предсказа Шокли: електрическият сигнал на материалът p-тип модулираше електрическия ток между два проводника, свързани с околните парчета n-тип.
Морган Спаркс и Гордън Тийл зад работната маса в лабораториите на Бел
Този транзистор с израсен преход надмина своя предшественик с точков контакт почти във всички аспекти. В частност, той стана по-надежден и предсказуем, произвеждаше много по-малко шум (и следователно беше по-чувствителен) и изключително енергоефективен – консумирайки милион пъти по-малко енергия отколкото типична електронна лампа. През юли 1951 година лабораториите на Бел влязоха отново в пресата, за да обявят новото си 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 година General Electric (GE) обяви разработването на нов процес за създаване на транзистори с преход, сплавен метод. В него два топчета индий (донор p-тип) се сплавят от двете страни на тънък резен от германий n-тип. Този процес беше по-прост и по-евтин, отколкото отглеждането на преходи в сплав, такъв транзистор даваше по-малко съпротивление и поддържаше по-високи честоти.
Отгледани и сплавни транзистори
На следващата година Гордън Тил реши да се върне в родния си щат и устрои работа в Texas Instruments (TI) в Далас. Компанията беше основана под името Geophysical Services, Inc. и първоначално произвеждаше оборудване за проучване на находища на нефт. TI откри отдел за електроника по време на войната и сега навлизаше на пазара на транзистори с лиценз от Western Electric (производственото подразделение на лабораториите на Бел).
Тил донесе със себе си нови умения, придобити в лабораториите: способността да отглежда и монокристали от силиций. Най-очевидната слабост на германий беше неговата чувствителност към температурата. Под действието на топлината, атомите на германий в кристала бързо губят свободните електрони, и той все повече се превръща в проводник. При температура от 77 °C той изобщо спира да работи като транзистор. Основната цел на продажбите на транзистори бяха въоръжените сили – потенциален потребител с ниска ценова чувствителност и огромна нужда от стабилни, надеждни и компактни електронни компоненти. Въпреки това, чувствителният към температура германий не би бил полезен в много случаи на военно приложение, особено в аерокосмическата област.
Силиций се оказа много по-стабилен, но цената беше много по-висока, сравнима с точката на топене на стоманата. Това създаваше огромни трудности, предвид факта, че за производството на висококачествени транзистори бяха нужни много чисти кристали. Горещият разтопен силиций би абсорбирал замърсители от всяка тигел, в който се намираше. Тил с екипа от TI успяха да преодолеят тези трудности с помощта на свръхчисти проби силиций от DuPont. През май 1954 г. на конференцията на Института по радиоинженерство в Дейтън (Охайо) Тил демонстрира, че новите силициеви устройства, произведени в неговата лаборатория, продължаваха да работят дори когато бяха потопени в горещо масло.
Успешни новатори
Най-накрая, около седем години след първото изобретение на транзистора, той можа да бъде произведен от материал, с който стана синоним. И ще отнеме още приблизително същото време, за да се появят транзистори, грубо наподобяващи формата, която днес използваме в нашите микропроцессори и паметови чипове.
През 1955 г. учени от лабораториите на Bell успешно се научиха да произвеждат силициевите транзистори с нова технология за легиране – вместо да добавят твърди топчета примеси в течния разтоп, те инжектираха газообразни добавки в твърдата повърхност на полупроводника (). Стриктно контролирайки температурата, налягането и продължителността на процедурата, те постигнаха точно необходимата дълбочина и степен на легиране. Усилването на контрола върху производствения процес доведе до повишен контрол върху електрическите свойства на крайния продукт. Както е важно, термодифузията даде възможност за серийно производство – можеше да се легира голяма платформа силиций, а след това да се нареже на транзистори. Военните осигуриха финансиране на лабораториите на Bell, тъй като за организирането на производството бяха нужни високи предварителни разходи. Те се нуждаеха от нов продукт за ултрависокочестотната линия за ранно радиолокационно откриване (“,«), вериги арктически радарни станции, предназначени за откритие на съветски 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, отвори възможността за травене на цялата форма на една полупроводникова подложка – до това одновременно се досетиха Fairchild Semiconductor и Texas Instruments през 1959. «» от Fairchild използваше химично утаяване на метални филми, свързващи електрическите контакти на транзистора. Тя освобождаваше от необходимостта да се създава проводка ръчно, намаляваше производствените разходи и увеличаваше надеждността.
Накрая, през 1960 година двама инженери от лабораториите на Белл (Джон Аталла и Девон Кан) реализираха оригиналната концепция на Шокли транзистора с полеви ефект. Тънък слой оксид на повърхността на полупроводника успя да потисне ефективно повърхностните състояния, в резултат на което електрическото поле от алуминиевия затвор проникваше вътре 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 се използва почти във всички съвременни компютри (интересно е, че Аталла произхожда 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, наподобяващо транзистора на вашия компютър. Той беше по-лесен за производство, използваше по-малко енергия от плоскостния транзистор, но доста бавно реагираше на сигналите. Само след разпространението на големи интегрални схеми с десетки или хиляди компоненти, разположени на един чип, предимствата на полевите транзистори излязоха на преден план.
Илюстрация от патента за полеви транзистор
Ползващият ефект стана последният сериозен принос на лабораториите на Белла в разработката на транзистора. Разпознаваеми производители на електроника, като лабораториите на Белла (с тяхната Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse, създадоха впечатляващо количество изследвания в полупроводниците. От 1952 до 1965 година само лабораториите на Белла регистрираха повече от двеста патента по този въпрос. И все пак, търговският пазар бързо премина в ръцете на нови играчи, като Texas Instruments, Transitron и Fairchild.
Ранният пазар на транзистори беше прекалено малък, за да привлече вниманието на големите играчи: около 18 милиона долара годишно през 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 служеха като непреднамерени тренировъчни лагери, където млади учени можеха да усвояват знания за полупроводниците и след това да преминат към предлагане на услугите си на по-малки фирми. Когато пазарът на лампова електроника започна значително да се свива през средата на 60-те години, за лабораториите на Белла, Westinghouse и останалите беше вече твърде късно да се състезават с новите играчи.
Преходът към транзистори в светът на компютрите
През 50-те години транзисторите нахлуха в света на електрониката в четири най-значими области. Първите две бяха слуховите апарати и преносимите радиоприемници, в които ниското потребление на енергия и, следователно, дългото време на работа от батерия, надвишаваха другите съображения. Третата беше военното приложение. Армията на САЩ имаше големи надежди за транзисторите като надеждни и компактни компоненти, които могат да се използват навсякъде, от полеви радио до балистични ракети. Въпреки това в началото разходите им за транзистори повече наподобяваха залог на бъдещето на технологията, отколкото потвърждение на стойността им по това време. И накрая, имаше и цифрови изчисления.
В компютърната област недостатъците на електронните лампови превключватели бяха добре известни, като някои скептици преди войната дори смятаха, че електронен компютър не може да стане практично устройство. Когато хиляди лампи се събираха в едно устройство, те поглъщаха електрическа енергия, излъчвайки огромно количество топлина, а що се отнася до надеждността, можеше да се разчита само на тяхното редовно изгаряне. Ето защо, малко консумиращият, студен транзистор, лишен от жичка, стана спасител за производителите на компютри. Неговите недостатъци като усилвател (например, по-шумен изходен сигнал) не представляваха такава сериозна пречка при използването му като превключвател. Единственото препятствие беше цената, която с времето започна да пада рязко.
Всички ранни американски експерименти с транзисторни компютри се случваха на кръстопътя между желанието на военните да изследват потенциала на обещаваща нова технология и желанието на инженерите да преминат към подобрени превключватели.
В лабораториите на Бел, през 1954 година беше построен TRADIC за ВВС на САЩ с цел да се провери дали транзисторите ще позволят инсталирането на цифров компютър на борда на бомбардировач, заменяйки аналоговата навигация и помощта за намиране на цели. Лабораторията Линкълн от MIT разработи компютъра TX-0 в рамките на обширен проект за ПВО през 1956 година. Машината използваше още един вариант на транзистора, повърхностно-бариера, добре подходящ за високо скоростни изчисления. Philco построи своя компютър SOLO по договор с ВМС (въпреки че всъщност – по запитване на АНБ), завършвайки го през 1958 година (използвайки друг вариант на повърхностно-бариерен транзистор).
В Западна Европа, която не разполагаше с толкова ресурси по време на Студената война, историята беше съвсем различна. Такива машини като Manchester Transistor Computer, (друго наименование, вдъхновено от проекта ENIAC и написано на обратно) и австрийският бяха второстепенни проекти, използващи ресурсите, които техните създатели успяха да съберат – включително транзистори с една точка на контакт от първото поколение.
Има много споров относно титлата на първия компютър, който използвал транзистори. Всичко, разбира се, зависи от избора на правилни определения за думи като „първи“, „транзисторен“ и „компютър“. Във всеки случай е известно къде свършва историята. Комерсиализацията на транзисторните компютри започна почти веднага. Година след година компютрите на същата цена ставаха все по-мощни, а компютрите с еднаква мощност – все по-евтини. Този процес изглеждаше толкова неумолим, че беше въздигнат в ранг на закон, редом с гравитацията и закона за запазване на енергията. Нуждаем ли се да спорим за кой камък е първият в свлачището?
Откъде произлиза законът на Мур?
Приближавайки се към края на историята на превключвателя, си струва да зададем въпроса: какво доведе до появата на това свлачище? Защо законът на Мур съществува (или е съществувал – ще спорим за това друг път)? За самолетите или прахосмукачките законът на Мур не важи, както не важи и за електронните лампи или реле.
Отговорът се състои от две части:
- Логическите свойства на превключвателя като категория артефакт.
- Възможността да се използват чисто химически процеси за производство на транзистори.
Първо, за същността на превключвателя. Свойствата на повечето артефакти трябва да отговарят на широк спектър от неумолими физически ограничения. Пътническият самолет трябва да издържа общото тегло на много хора. Прахосмукачката трябва да може да засмука определено количество мръсотия за определено време на определена физическа площ. Самолетите и прахосмукачките биха били безполезни, ако се намалят до наномащаб.
При превключвателя – автоматичният превключвател, който никога не е бил докосван от човешка ръка – физическите ограничения са много по-малко. Той трябва да има два различни състояния и да може да съобщава на други 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 други видове цифрови превключватели не преминаха през такива експоненциални подобрения?
Тук стигаме до втория факт. Транзисторите могат да се изработват чрез химически процеси без механично вмешателство. От самото начало ключовият елемент в производството на транзистори е било използването на химически примеси. След това се появи планарният процес, който елиминира последната механична стъпка в производството – свързването на проводниците. В резултат на това той се отърва от последното физическо ограничение за миниатюризация. На транзисторите вече не им беше нужно да бъдат достатъчно големи, за да могат да се манипулират с човешки пръсти – или с всяко механично устройство. Всичко това се извършваше с проста химия, на невероятно малък мащаб: киселина за травлене, светлина за контролиране на частите на повърхността, които ще устояват на травленето, и пари за внедряване на примеси и метални филми върху травлените пътеки.
Защо изобщо е нужна миниатюризация? Намаляването на размера доведе до цяла поредица от приятни странични ефекти: увеличаване на скоростта на превключване, намаляване на енергийното потребление и цената на отделните единици. Тези мощни стимули накараха всички да търсят начини за допълнително намаляване на превключвателите. И полупроводниковата индустрия, в рамките на живота на един човек, премина от производството на превключватели с размер на нокът до опаковането на десетки милиони превключвателя на квадратен милиметър. От цена от осем долара за един превключвател до предложение от двадесет милиона превключвателя за долар.
Чипът памет Intel 1103 от 1971 година. Отделните транзистори с размер само на десетки микрометри вече не са различими с окото. А оттогава те са намалели още хиляда пъти.
Какво още да прочетете:
- Ернест Браун и Стюарт Макдоналд, Революция в миниатюра (1978)
- Майкъл Риордан и Лилиан Ходдесън, Кристален огън (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Източник: habr.com
