Други статии от поредицата:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- Интернет история
Повече от сто години аналоговото куче маха цифровата си опашка. Опитите да разширим възможностите на нашите сетива - зрение, слух и дори, в известен смисъл, допир - накараха инженери и учени да търсят по-добри компоненти за телеграфи, телефони, радиостанции и радари. Само с чист късмет това търсене откри пътя към създаването на нови видове цифрови машини. И реших да разкажа историята на тази константа , по време на който телекомуникационните инженери доставяха суровините за първите цифрови компютри, а понякога дори сами проектираха и изграждаха тези компютри.
Но през 1960-те години това ползотворно сътрудничество приключи, а с него и моята история. Производителите на цифрово оборудване вече не трябваше да търсят нови, подобрени ключове в световете на телеграфа, телефона и радиото, тъй като самият транзистор осигуряваше неизчерпаем източник на подобрения. Година след година те копаеха все по-дълбоко и по-дълбоко, винаги намирайки начини за експоненциално увеличаване на скоростта и намаляване на разходите.
Нищо от това обаче нямаше да се случи, ако изобретяването на транзистора беше спряло до .
Бавен старт
В популярната преса нямаше голям ентусиазъм за съобщението на Bell Labs за изобретяването на транзистора. На 1 юли 1948 г. The New York Times посвещава три параграфа на събитието в края на репортажа си за радио новини. Освен това тази новина се появи след други, очевидно смятани за по-важни: например едночасовото радио шоу „Време за валс“, което трябваше да се появи по NBC. Погледнато назад може да ни се прииска да се посмеем или дори да се скараме на неизвестните автори - как не са разпознали събитието, преобърнало света?
Но погледът назад изкривява възприятието, усилвайки сигнали, чиято значимост знаем, че е била изгубена в морето от шум по това време. Транзисторът от 1948 г. беше много различен от транзисторите на компютрите, на които четете тази статия (освен ако не сте решили да я отпечатате). Те се различаваха толкова много, че въпреки едно и също име и непрекъснатата линия на наследяване, която ги свързва, трябва да се считат за различни видове, ако не и различни родове. Те имат различен състав, различни структури, различни принципи на работа, да не говорим за огромната разлика в размера. Само чрез постоянно преоткриване тромавото устройство, конструирано от Бардийн и Братейн, може да преобрази света и живота ни.
Всъщност едноточковият германиев транзистор не заслужаваше повече внимание, отколкото получи. Имаше няколко дефекта, наследени от вакуумната тръба. Разбира се, беше много по-малък от най-компактните лампи. Липсата на гореща нишка означава, че тя произвежда по-малко топлина, консумира по-малко енергия, не изгаря и не изисква загряване преди употреба.
Въпреки това, натрупването на мръсотия върху контактната повърхност доведе до повреди и отрече потенциала за по-дълъг експлоатационен живот; даде по-шумен сигнал; работи само при ниски мощности и в тесен честотен диапазон; неуспешно при наличие на топлина, студ или влага; и не може да се произвежда равномерно. Няколко транзистора, създадени по един и същ начин от едни и същи хора, биха имали изключително различни електрически характеристики. И всичко това струваше осем пъти по-висока от тази на стандартна лампа.
Едва през 1952 г. Bell Labs (и други притежатели на патенти) са разрешили производствените проблеми достатъчно, за да могат едноточковите транзистори да се превърнат в практични устройства и дори тогава те не са се разпространили много извън пазара на слухови апарати, където ценовата чувствителност е относително ниска .и ползите по отношение на живота на батерията надделяха над недостатъците.
Тогава обаче вече бяха започнали първите опити да се превърне транзисторът в нещо по-добро и по-полезно. Те всъщност започнаха много по-рано от момента, в който обществеността научи за съществуването му.
Амбициите на Шокли
Към края на 1947 г. Бил Шокли предприема пътуване до Чикаго в голямо вълнение. Той имаше смътни идеи за това как да победи наскоро изобретения транзистор на Бардийн и Братейн, но все още не беше имал шанс да ги развие. Така вместо да се наслаждава на почивка между етапите на работа, той прекарва Коледа и Нова година в хотела, попълвайки около 20 страници от тетрадка с идеите си. Сред тях беше предложение за нов транзистор, състоящ се от полупроводников сандвич - срез от p-тип германий между две части от n-тип.
Окуражен от това асо в ръкава си, Шокли предявява претенции към Бардийн и Братейн за завръщането им в Мъри Хил, претендирайки за цялата заслуга за изобретяването на транзистора. Не беше ли идеята му за ефекта на полето, която накара Бардийн и Братейн да влязат в лабораторията? Това не би ли наложило прехвърлянето на всички права върху патента на него? Трикът на Шокли обаче се оказа обратен: патентните адвокати на Bell Labs установиха, че неизвестният изобретател, , патентова полупроводников усилвател с полеви ефект почти 20 години по-рано, през 1930 г. Лилиенфелд, разбира се, никога не е реализирал идеята си, като се има предвид състоянието на материалите по това време, но рискът от припокриване е твърде голям - по-добре е напълно да се избягва споменаването полевият ефект в патента.
И така, въпреки че Bell Labs дадоха на Шокли щедър дял от заслугите на изобретателя, те посочиха само Бардийн и Братейн в патента. Но това, което беше направено, не може да бъде отменено: амбициите на Шокли разрушиха отношенията му с двама подчинени. Бардийн спря да работи върху транзистора и се концентрира върху свръхпроводимостта. Той напуска лабораториите през 1951 г. Братейн остава там, но отказва да работи отново с Шокли и настоява да бъде преместен в друга група.
Поради неспособността си да работи с други хора, Шокли никога не е постигнал напредък в лабораториите, така че той също напуска там. През 1956 г. той се завръща у дома в Пало Алто, за да основе своя собствена компания за транзистори, Shockley Semiconductor. Преди да замине, той се раздели със съпругата си Джийн, докато тя се възстановяваше от рак на матката, и се забърка с Еми Ланинг, за която скоро се ожени. Но от двете половини на калифорнийската му мечта - нова компания и нова съпруга - само една се сбъдва. През 1957 г. най-добрите му инженери, ядосани от неговия стил на управление и посоката, в която поема компанията, го напускат, за да основат нова компания, Fairchild Semiconductor.
Шокли през 1956 г
Така Шокли изостави празната обвивка на своята компания и пое работа в отдела по електротехника в Станфорд. Там той продължи да отчуждава колегите си (и най-стария си приятел, физика ) теории за расова дегенерация, които го интересуват и – теми, които са непопулярни в САЩ след края на последната война, особено в академичните среди. Той изпитваше удоволствие да разпалва полемика, да разпалва медиите и да предизвиква протести. Той почина през 1989 г., отчужден от децата и колегите си и посещаван само от вечно преданата си втора съпруга Еми.
Въпреки че слабите му опити за предприемачество се провалиха, Шокли беше посадил семе в плодородна почва. Районът на залива на Сан Франциско произвежда много малки фирми за електроника, които са залети с финансиране от федералното правителство по време на войната. Fairchild Semiconductor, случайното потомство на Shockley, породи десетки нови компании, няколко от които са известни и днес: Intel и Advanced Micro Devices (AMD). До началото на 1970-те години на миналия век районът си е спечелил подигравателното прозвище „Силиконовата долина“. Но чакайте малко - Бардийн и Братейн създадоха германиевия транзистор. Откъде идва силицият?
Ето как изглеждаше изоставеният обект на Mountain View, който по-рано помещаваше Shockley Semiconductor през 2009 г. Днес сградата е съборена.
Към Силициевия кръстопът
Съдбата на нов тип транзистор, изобретен от Шокли в хотел в Чикаго, беше много по-щастлива от тази на неговия изобретател. Всичко е благодарение на желанието на един човек да отглежда единични, чисти полупроводникови кристали. Гордън Тийл, физикохимик от Тексас, който е изучавал безполезния тогава германий за своята докторска степен, постъпва на работа в Bell Labs през 30-те години на миналия век. След като научил за транзистора, той се убедил, 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 усилията му като загуба на ресурси.
Въпреки това Тийл упорства и постига успех с помощта на машинния инженер Джон Литъл, създавайки устройство, което извлича мъничко кристално семе от разтопен германий. Докато германият се охлажда около ядрото, той разширява своята кристална 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 са далеч зад своите поликристални конкуренти. По-специално, второстепенните транспортери, добавени към тях, могат да оцелеят вътре в продължение на сто микросекунди или дори повече (срещу не повече от десет микросекунди в други кристални проби).
Сега Тийл можеше да си позволи повече ресурси и нае повече хора в екипа си, сред които беше друг физикохимик, дошъл в Bell Labs от Тексас - Морган Спаркс. Те започнаха да променят стопилката, за да направят p-тип или n-тип германий чрез добавяне на перли от подходящи примеси. В рамките на една година те са подобрили технологията до такава степен, че могат да отглеждат германиев npn сандвич директно в стопилката. И работи точно както предсказа Шокли: електрически сигнал от p-тип материал модулира електрическия ток между два проводника, свързани с n-тип части около него.
Морган Спаркс и Гордън Тийл на работна маса в Bell Labs
Този усъвършенстван свързващ транзистор превъзхожда своя предшественик с едноточков контакт в почти всички отношения. По-специално, той беше по-надежден и предсказуем, произвеждаше много по-малко шум (и следователно беше по-чувствителен) и беше изключително енергийно ефективен - консумирайки милион пъти по-малко енергия от типичната вакуумна тръба. През юли 1951 г. Bell Labs провеждат друга пресконференция, за да обявят новото изобретение. Дори преди първият транзистор да успее да достигне до пазара, той вече е станал по същество без значение.
И все пак това беше само началото. През 1952 г. General Electric (GE) обяви разработването на нов процес за създаване на съединителни транзистори, методът на синтез. В неговата рамка две топки от индий (р-тип донор) бяха слети от двете страни на тънък срез от n-тип германий. Този процес беше по-прост и по-евтин от отглеждането на кръстовища в сплав; такъв транзистор дава по-малко съпротивление и поддържа по-високи честоти.
Пораснали и кондензирани транзистори
На следващата година Гордън Тийл решава да се върне в родния си щат и започва работа в Texas Instruments (TI) в Далас. Компанията е основана като Geophysical Services, Inc. и първоначално произвежда оборудване за проучване на нефт, TI открива подразделение за електроника по време на войната и сега навлиза на пазара на транзистори по лиценз на Western Electric (производственото подразделение на Bell Labs).
Тийл донесе със себе си нови умения, научени в лабораториите: способността да расте и силициеви монокристали. Най-очевидната слабост на германия беше неговата чувствителност към температура. Когато са изложени на топлина, атомите на германия в кристала бързо отделят свободни електрони и той все повече се превръща в проводник. При температура от 77 °C той спря да работи като транзистор. Основната цел за продажба на транзистори беше армията - потенциален потребител с ниска ценова чувствителност и огромна нужда от стабилни, надеждни и компактни електронни компоненти. Въпреки това, чувствителният към температурата германий не би бил полезен в много военни приложения, особено в космическата област.
Силицият беше много по-стабилен, но беше с цената на много по-висока точка на топене, сравнима с тази на стоманата. Това създава огромни трудности, като се има предвид, че за създаването на висококачествени транзистори са необходими много чисти кристали. Горещият разтопен силиций ще абсорбира замърсители от какъвто и тигел да се намира. Тийл и неговият екип от TI успяха да преодолеят тези предизвикателства, използвайки проби от ултрачист силиций от DuPont. През май 1954 г. на конференция на Института по радиоинженерство в Дейтън, Охайо, Тийл демонстрира, че новите силициеви устройства, произведени в неговата лаборатория, продължават да работят дори когато са потопени в горещо масло.
Успешни новостарти
Най-накрая, около седем години след изобретяването на транзистора, той може да бъде направен от материала, на който е станал синоним. И приблизително същото време ще мине преди появата на транзистори, които приблизително приличат на формата, използвана в нашите микропроцесори и чипове памет.
През 1955 г. учените от Bell Labs успешно се научиха да правят силициеви транзистори с нова допинг технология - вместо да добавят твърди топки от примеси към течна стопилка, те въведоха газообразни добавки в твърдата повърхност на полупроводника (). Чрез внимателно контролиране на температурата, налягането и продължителността на процедурата те постигнаха точно необходимата дълбочина и степен на допинг. По-големият контрол върху производствения процес даде по-голям контрол върху електрическите свойства на крайния продукт. По-важното е, че термичната дифузия направи възможно производството на продукта на партиди - можете да легирате голяма плоча силиций и след това да я нарежете на транзистори. Военните осигуриха финансиране за Bell Laboratories, тъй като създаването на производство изискваше високи първоначални разходи. Имаха нужда от нов продукт за ултрависокочестотна радарна връзка за ранно предупреждение (“"), верига от арктически радарни станции, предназначени да откриват съветски бомбардировачи, летящи от Северния полюс, и те бяха готови да дадат 100 долара за транзистор (това бяха дните, когато нова кола можеше да се купи за 2000 долара).
Легиране с , който контролира местоположението на примесите, отвори възможността за ецване на цялата верига изцяло върху една полупроводникова подложка - това беше обмислено едновременно от Fairchild Semiconductor и Texas Instruments през 1959 г. ““ от Fairchild използва химическо отлагане на метални филми, свързващи електрическите контакти на транзистора. Премахна необходимостта от създаване на ръчно окабеляване, намали производствените разходи и повиши надеждността.
Накрая, през 1960 г., двама инженери от Bell Labs (Джон Атала и Дейвон Кан) прилагат оригиналната концепция на Шокли за транзистор с полеви ефекти. Тънък слой оксид върху повърхността на полупроводника успя ефективно да потисне повърхностните състояния, карайки електрическото поле от алуминиевата порта да проникне в силиция. Така се ражда MOSFET [метал-оксиден полупроводников полеви транзистор] (или MOS структура, от metal-oxide-semiconductor), който се оказа толкова лесен за миниатюризиране и който все още се използва в почти всички съвременни компютри (интересно , Атала идва от Египет, а Канг е от Южна Корея и практически само тези двама инженери от цялата ни история нямат европейски корени).
Най-накрая, тринадесет години след изобретяването на първия транзистор, се появи нещо, наподобяващо транзистора във вашия компютър. Той беше по-лесен за производство и използваше по-малко енергия от преходния транзистор, но реагираше доста бавно на сигнали. Едва с разпространението на широкомащабни интегрални схеми, със стотици или хиляди компоненти, разположени на един чип, предимствата на транзисторите с полеви ефекти излязоха на преден план.
Илюстрация от патента за полеви транзистор
Ефектът на полето беше последният голям принос на Bell Labs за разработването на транзистора. Големи производители на електроника като Bell Laboratories (с техния Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse са натрупали впечатляващо количество изследвания в областта на полупроводниците. От 1952 до 1965 г. само Bell Laboratories регистрира повече от двеста патента по тази тема. И все пак търговският пазар бързо попадна в ръцете на нови играчи като Texas Instruments, Transitron и Fairchild.
Ранният пазар на транзистори беше твърде малък, за да привлече вниманието на основните играчи: около 18 милиона долара годишно в средата на 1950-те години, в сравнение с общ пазар на електроника от 2 милиарда долара.Изследователските лаборатории на тези гиганти обаче служеха като непреднамерени тренировъчни лагери където младите учени биха могли да усвоят знания в областта на полупроводниците, преди да продължат да продават услугите си на по-малки фирми. Когато пазарът на лампова електроника започна да се свива сериозно в средата на 1960-те години на миналия век, беше твърде късно за Bell Labs, Westinghouse и останалите да се конкурират с новопостъпилите компании.
Преходът на компютрите към транзистори
През 1950-те години транзисторите нахлуха в света на електрониката в четири основни области. Първите две бяха слухови апарати и преносими радиостанции, където ниската консумация на енергия и последващият дълъг живот на батерията надделяха над други съображения. Третият беше за военна употреба. Американската армия възлагаше големи надежди на транзисторите като надеждни, компактни компоненти, които могат да се използват във всичко - от полеви радиостанции до балистични ракети. Въпреки това, в първите дни разходите им за транзистори изглеждаха по-скоро като залог за бъдещето на технологиите, отколкото като потвърждение на тогавашната им стойност. И накрая, имаше и цифрови изчисления.
В компютърната област недостатъците на превключвателите с вакуумни тръби бяха добре известни, като някои скептици преди войната дори вярваха, че един електронен компютър не може да бъде направен практично устройство. Когато хиляди лампи бяха събрани в едно устройство, те изядоха електричество, произвеждайки огромни количества топлина и по отношение на надеждността можеше да се разчита само на редовното им изгаряне. Следователно нискоенергийният, хладен и безрезбовен транзистор се превърна в спасител на производителите на компютри. Недостатъците му като усилвател (по-шумен изход, например) не бяха чак такъв проблем, когато се използваше като превключвател. Единствената пречка беше цената и след време тя щеше да започне рязко да пада.
Всички ранни американски експерименти с транзисторни компютри се случиха в пресечната точка на желанието на военните да изследват потенциала на обещаваща нова технология и желанието на инженерите да преминат към подобрени комутатори.
Bell Labs построи TRADIC за военновъздушните сили на САЩ през 1954 г., за да види дали транзисторите биха позволили цифров компютър да бъде инсталиран на борда на бомбардировач, заменяйки аналоговата навигация и подпомагайки намирането на цели. Лабораторията на MIT Lincoln разработи компютъра TX-0 като част от обширен проект за противовъздушна отбрана през 1956 г. Машината използва друг вариант на повърхностния бариерен транзистор, много подходящ за високоскоростни изчисления. Philco построи своя компютър SOLO по договор с Военноморските сили (но всъщност по искане на NSA), завършвайки го през 1958 г. (използвайки друг вариант на повърхностния бариерен транзистор).
В Западна Европа, по-малко надарена с ресурси по време на Студената война, историята беше много различна. Машини като Манчестърския транзисторен компютър, (друго име, вдъхновено от проекта ENIAC и изписано наобратно), и австрийски бяха странични проекти, които използваха ресурсите, които техните създатели можеха да съберат заедно - включително едноточкови транзистори от първо поколение.
Има много спорове относно заглавието на първия компютър, използващ транзистори. Всичко се свежда, разбира се, до избора на правилните определения за думи като „първи“, „транзистор“ и „компютър“. Във всеки случай знаем 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 със същата мощност ставаха по-евтини и този процес изглеждаше толкова неумолим, че беше издигнат до ранг на закон, до гравитацията и запазването на енергията. Трябва ли да спорим кое камъче се срути първо?
Откъде идва законът на Мур?
Докато наближаваме края на историята на превключвателя, струва си да се запитаме: какво причини този колапс? Защо законът на Мур съществува (или е съществувал - друг път ще поспорим за това)? Няма закон на Мур за самолети или прахосмукачки, както няма и за вакуумни тръби или релета.
Отговорът има две части:
- Логически свойства на превключвател като категория артефакт.
- Способността да се използват чисто химически процеси за производство на транзистори.
Първо, за същността на превключвателя. Свойствата на повечето артефакти трябва да задоволяват широк набор от непростими физически ограничения. Пътническият самолет трябва да поддържа общото тегло на много хора. Една прахосмукачка трябва да може да изсмуче определено количество мръсотия за определено време от определена физическа зона. Самолетите и прахосмукачките биха били безполезни, ако бъдат намалени до наномащаб.
Превключвател, автоматичен превключвател, който никога не е бил докосван от човешка ръка, има много по-малко физически ограничения. Той трябва да има две различни състояния и трябва да може да комуникира с други подобни комутатори, когато техните състояния се променят. Тоест, всичко, което трябва да може да прави, е да включва и изключва. Какво е толкова специално за транзисторите? Защо други видове цифрови превключватели не са имали такива експоненциални подобрения?
Тук стигаме до втория факт. Транзисторите могат да бъдат направени чрез химически процеси без механична намеса. От самото начало ключов елемент при производството на транзистори беше използването на химически примеси. След това дойде планарният процес, който елиминира последната механична стъпка от производството - закрепването на проводниците. В резултат на това той се отърва от последното физическо ограничение на миниатюризацията. Транзисторите вече не трябваше да бъдат достатъчно големи за човешки пръсти или каквото и да е механично устройство. Всичко беше направено чрез проста химия, в невъобразимо малък мащаб: киселина за ецване, светлина, за да се контролира кои части от повърхността ще устоят на ецване, и пара за въвеждане на примеси и метални филми в гравираните следи.
Защо изобщо е необходима миниатюризация? Намаляването на размера даде цяла плеяда от приятни странични ефекти: повишена скорост на превключване, намалена консумация на енергия и цената на отделните копия. Тези мощни стимули накараха всички да търсят начини за допълнително намаляване на превключванията. А полупроводниковата индустрия премина от производство на превключватели с размерите на нокът до опаковане на десетки милиони превключватели на квадратен милиметър през живота на един човек. От искане на осем долара за един превключвател до предлагане на двадесет милиона превключвателя за долар.
Чип памет Intel 1103 от 1971г. Индивидуалните транзистори, с размер само десетки микрометри, вече не се виждат за окото. И оттогава са намалели още хиляди пъти.
Какво още да прочетете:
- Ърнест Бруан и Стюарт Макдоналд, Революция в миниатюра (1978)
- Майкъл Риърдън и Лилиан Ходесън, Кристален огън (1997)
- Джоел Шуркин, Разбитият гений (1997)
Източник: www.habr.com