Ostali članci iz serije:
- Istorija štafete
- Istorija elektronskih računara
- Istorija tranzistora
- Internet istorija
Više od stotinu godina, analogni pas maše svojim digitalnim repom. Pokušaji da se prošire mogućnosti naših čula - vida, sluha, pa čak i, u određenom smislu, dodira - naveli su inženjere i naučnike da traže bolje komponente za telegrafe, telefone, radio i radare. Samo pukom srećom ova potraga je otkrila put do stvaranja novih tipova digitalnih mašina. I odlučio sam da ispričam priču o ovoj konstanti , tokom kojeg su inženjeri telekomunikacija isporučivali sirovine za prve digitalne računare, a ponekad čak i sami dizajnirali i gradili te računare.
Ali do 1960-ih ova plodna saradnja je došla do kraja, a sa njom i moja priča. Proizvođači digitalne opreme više nisu morali tražiti nove, poboljšane prekidače u svijetu telegrafa, telefona i radija, budući da je sam tranzistor bio nepresušan izvor poboljšanja. Iz godine u godinu kopali su sve dublje i dublje, uvijek nalazeći načine da eksponencijalno povećaju brzinu i smanje troškove.
Međutim, ništa od ovoga se ne bi dogodilo da je izum tranzistora stao na .
Lagani početak
U popularnoj štampi je bilo malo entuzijazma za najavu Bell Labsa o pronalasku tranzistora. Dana 1. jula 1948. New York Times je posvetio tri paragrafa događaju na dnu svog izvještaja Radio News. Štaviše, ova vijest se pojavila nakon drugih, očito važnijih: na primjer, jednosatne radijske emisije “Vrijeme valcera”, koja je trebala da se pojavi na NBC-u. Gledajući unazad, možda bismo htjeli da se nasmijemo, ili čak izgrdimo nepoznate autore - kako nisu prepoznali događaj koji je okrenuo svijet naglavačke?
Ali retrospektiva iskrivljuje percepciju, pojačavajući signale čiji značaj znamo da su izgubljeni u moru buke u to vrijeme. Tranzistor iz 1948. godine bio je veoma različit od tranzistora kompjutera na kojima čitate ovaj članak (osim ako niste odlučili da ga odštampate). Toliko su se razlikovali da ih, unatoč istom imenu i neprekinutoj liniji nasljeđa koja ih povezuje, treba smatrati različitim vrstama, ako ne i različitim rodovima. Imaju različite sastave, različite strukture, različite principe rada, a da ne spominjemo ogromnu razliku u veličini. Samo stalnim izmišljanjem nespretni uređaj koji su konstruirali Bardeen i Brattain mogao je transformirati svijet i naše živote.
U stvari, germanijumski tranzistor sa jednom tačkom nije zaslužio više pažnje nego što je dobio. Imao je nekoliko defekata naslijeđenih od vakuumske cijevi. Bio je, naravno, mnogo manji od najkompaktnijih lampi. Odsustvo vrućeg filamenta značilo je da proizvodi manje topline, troši manje energije, ne izgara i ne zahtijeva zagrijavanje prije upotrebe.
Međutim, nakupljanje prljavštine na kontaktnoj površini dovelo je do kvarova i negiralo potencijal za duži vijek trajanja; davao je bučniji signal; radio samo pri malim snagama i u uskom frekvencijskom opsegu; ne radi u prisustvu vrućine, hladnoće ili vlage; i nije mogao biti proizveden jednolično. Nekoliko tranzistora stvorenih na isti način od strane istih ljudi imalo bi potpuno različite električne karakteristike. I sve je to koštalo osam puta veću cijenu od standardne lampe.
Tek 1952. godine Bell Labs (i drugi vlasnici patenata) riješili su proizvodne probleme dovoljno da tranzistori s jednom tačkom postanu praktični uređaji, a čak ni tada nisu se proširili mnogo dalje od tržišta slušnih pomagala, gdje je osjetljivost na cijene bila relativno niska. a prednosti u pogledu trajanja baterije bile su veće od nedostataka.
Međutim, tada su već počeli prvi pokušaji da se tranzistor pretvori u nešto bolje i korisnije. Oni su zapravo počeli mnogo ranije od trenutka kada je javnost saznala za njegovo postojanje.
Šoklijeve ambicije
Krajem 1947. Bill Shockley je s velikim uzbuđenjem otputovao u Čikago. Imao je nejasne ideje o tome kako pobijediti Bardeen i Brattainov nedavno izumljeni tranzistor, ali još nije imao priliku da ih razvije. Tako je umjesto da uživa u pauzi između faza rada, Božić i Novu godinu proveo u hotelu, ispunjavajući oko 20 stranica sveske svojim idejama. Među njima je bio i prijedlog za novi tranzistor koji se sastoji od poluvodičkog sendviča - kriške germanija p-tipa između dva komada n-tipa.
Ohrabren ovim asom u rukavu, Shockley je polagao pravo na Bardeena i Brattaina za njihov povratak u Murray Hill, tvrdeći sve zasluge za izum tranzistora. Nije li njegova ideja o efektu polja dovela Bardeena i Brattaina u laboratoriju? Ne bi li zbog toga na njega trebalo prenijeti sva prava na patent? Međutim, Šoklijev trik se izjalovio: advokati za patente Bell Labsa otkrili su da je nepoznati pronalazač, , patentirao je poluvodičko pojačalo s efektom polja skoro 20 godina ranije, 1930. Lilienfeld, naravno, nikada nije implementirao svoju ideju, s obzirom na tadašnje stanje materijala, ali je rizik od preklapanja bio prevelik - bolje je bilo potpuno izbjeći spominjanje efekt polja u patentu
Dakle, iako je Bell Labs Shockleyju dao velikodušan dio zasluga pronalazača, u patentu su naveli samo Bardeena i Brattaina. Međutim, ono što je učinjeno ne može se poništiti: Šoklijeve ambicije uništile su njegov odnos sa dvojicom podređenih. Bardeen je prestao raditi na tranzistoru i koncentrisao se na supravodljivost. Napustio je laboratorije 1951. Brattain je ostao tamo, ali je odbio da ponovo radi sa Šoklijem i insistirao je da bude prebačen u drugu grupu.
Zbog svoje nesposobnosti da radi sa drugim ljudima, Šokli nikada nije napredovao u laboratorijama, pa je i otišao odatle. Godine 1956. vratio se kući u Palo Alto kako bi osnovao vlastitu tranzistorsku kompaniju, Shockley Semiconductor. Prije odlaska odvojio se od svoje supruge Jean dok se ona oporavljala od raka materice, te se povezao sa Emmy Lanning, s kojom se ubrzo oženio. Ali od dvije polovine njegovog kalifornijskog sna - nova kompanija i nova supruga - samo se jedna ostvarila. Godine 1957., njegovi najbolji inženjeri, ljuti zbog njegovog stila upravljanja i pravca u kojem je vodio kompaniju, napustili su ga da osnuje novu kompaniju, Fairchild Semiconductor.
Šokli 1956
Tako je Šokli napustio praznu ljusku svoje kompanije i zaposlio se u odeljenju za elektrotehniku na Stanfordu. Tamo je nastavio da otuđuje svoje kolege (i svog najstarijeg prijatelja, fizičara ) teorije rasne degeneracije koje su ga zanimale i – teme koje su bile nepopularne u Sjedinjenim Državama od kraja posljednjeg rata, posebno u akademskim krugovima. Uživao je u izazivanju kontroverzi, razbuktavanju medija i izazivanju protesta. Umro je 1989. godine, otuđen od svoje djece i kolega, a posjećivala ga je samo njegova uvijek odana druga supruga Emmy.
Iako su njegovi slabi pokušaji preduzetništva propali, Šokli je zasadio seme u plodno tlo. Područje zaljeva San Francisco proizvelo je mnogo malih firmi za elektroniku, koje su finansirane od savezne vlade tokom rata. Fairchild Semiconductor, Shockleyjev slučajni potomak, iznjedrio je desetine novih kompanija, od kojih je nekoliko i danas poznato: Intel i Advanced Micro Devices (AMD). Do ranih 1970-ih, ovo područje je steklo podrugljivi nadimak "Silicijumska dolina". Ali čekajte malo - Bardeen i Brattain su stvorili germanijumski tranzistor. Odakle je došao silicijum?
Ovako je izgledala napuštena lokacija u Mountain Viewu u kojoj je ranije bio Shockley Semiconductor 2009. godine. Danas je zgrada srušena.
Prema silikonskom raskršću
Sudbina novog tipa tranzistora, koji je izmislio Šokli u hotelu u Čikagu, bila je mnogo srećnija od sudbine njegovog pronalazača. Sve je to zahvaljujući želji jednog čovjeka da uzgaja pojedinačne, čiste poluvodičke kristale. Gordon Teal, fizikalni hemičar iz Teksasa koji je proučavao tada beskorisni germanijum za doktorat, zaposlio se u Bell Labs-u 30-ih. Saznavši o tranzistoru, postao je uvjeren da se njegova pouzdanost i snaga mogu značajno poboljšati stvaranjem od čistog monokristala, a ne od polikristalnih mješavina koje su tada korištene. Šokli je odbacio njegove napore kao gubitak resursa.
Međutim, Teal je ustrajao i postigao uspjeh, uz pomoć mašinskog inženjera Johna Littlea, stvarajući uređaj koji izdvaja sićušno kristalno sjeme iz rastopljenog germanija. Kako se germanij hladio oko jezgra, proširio je svoju kristalnu strukturu, stvarajući kontinuiranu i gotovo čistu poluvodičku rešetku. Do proljeća 1949. Teal i Little su mogli kreirati kristale po narudžbi, a testovi su pokazali da su daleko zaostali za svojim polikristalnim konkurentima. Konkretno, manji transporteri koji su im dodani mogli su preživjeti unutra sto mikrosekundi ili čak duže (nasuprot ne više od deset mikrosekundi u drugim kristalnim uzorcima).
Sada je Teal mogao priuštiti više resursa i regrutovao je više ljudi u svoj tim, među kojima je bio još jedan fizički hemičar koji je došao u Bell Labs iz Teksasa - Morgan Sparks. Počeli su mijenjati rastop kako bi napravili germanij p-tipa ili n-tipa dodavanjem kuglica odgovarajućih nečistoća. U roku od godinu dana unaprijedili su tehnologiju do te mjere da su mogli uzgajati germanij npn sendvič direktno u talini. I funkcionirao je točno onako kako je Shockley predvidio: električni signal iz materijala p-tipa modulirao je električnu struju između dva provodnika povezana s dijelovima n-tipa koji ga okružuju.
Morgan Sparks i Gordon Teal na radnom stolu u Bell Labs-u
Ovaj narasli spojni tranzistor nadmašuje svog pretka kontakta u jednoj tački u skoro svakom pogledu. Konkretno, bio je pouzdaniji i predvidljiviji, proizvodio je mnogo manje buke (i stoga je bio osjetljiviji) i bio je izuzetno energetski efikasan – trošio je milion puta manje energije od tipične vakuumske cijevi. U julu 1951. Bell Labs je održao još jednu konferenciju za štampu na kojoj je najavio novi izum. Čak i prije nego što je prvi tranzistor uspio doći na tržište, već je postao suštinski irelevantan.
Pa ipak, ovo je bio samo početak. General Electric (GE) je 1952. godine najavio razvoj novog procesa za izradu spojnih tranzistora, metod fuzije. U njegovom okviru, dvije kuglice indija (donor p-tipa) bile su spojene na obje strane tankog kriška germanija n-tipa. Ovaj proces je bio jednostavniji i jeftiniji od rastućih spojeva u leguri; takav tranzistor je davao manji otpor i podržavao više frekvencije.
Narasli i fuzionisani tranzistori
Sljedeće godine, Gordon Teal je odlučio da se vrati u svoju matičnu državu i zaposlio se u Texas Instruments (TI) u Dallasu. Kompanija je osnovana kao Geophysical Services, Inc., i u početku je proizvodila opremu za istraživanje nafte, TI je otvorio odjel za elektroniku tokom rata, a sada je ulazio na tržište tranzistora pod licencom Western Electrica (proizvodni odjel Bell Labsa).
Teal je sa sobom donio nove vještine naučene u laboratorijama: sposobnost rasta i monokristali silicijuma. Najočiglednija slabost germanijuma bila je njegova osetljivost na temperaturu. Kada su izloženi toplini, atomi germanija u kristalu brzo odbacuju slobodne elektrone i on se sve više pretvara u provodnik. Na temperaturi od 77 °C potpuno je prestao da radi kao tranzistor. Glavni cilj prodaje tranzistora bila je vojska – potencijalni potrošač s niskom osjetljivošću na cijene i ogromnom potrebom za stabilnim, pouzdanim i kompaktnim elektronskim komponentama. Međutim, germanijum osetljiv na temperaturu ne bi bio koristan u mnogim vojnim primenama, posebno u vazduhoplovstvu.
Silicijum je bio mnogo stabilniji, ali je dolazio po cenu mnogo veće tačke topljenja, uporedive sa onom čelika. To je izazvalo ogromne poteškoće, s obzirom da su za stvaranje visokokvalitetnih tranzistori bili potrebni vrlo čisti kristali. Vrući rastopljeni silicijum bi apsorbovao zagađivače iz bilo koje posude u kojoj se nalazio. Teel i njegov tim u TI su uspjeli da prevaziđu ove izazove koristeći uzorke ultra čistog silicijuma iz DuPont-a. U maju 1954. godine, na konferenciji Instituta za radiotehniku u Daytonu, Ohajo, Teal je pokazao da novi silikonski uređaji proizvedeni u njegovoj laboratoriji nastavljaju raditi čak i kada su uronjeni u vruće ulje.
Uspješni početnici
Konačno, nekih sedam godina nakon što je tranzistor prvi put izumljen, mogao se napraviti od materijala za koji je postao sinonim. I otprilike isto toliko vremena će proći do pojave tranzistora koji otprilike podsjećaju na oblik koji se koristi u našim mikroprocesorima i memorijskim čipovima.
1955. godine, naučnici iz Bell Labsa uspješno su naučili da prave silicijumske tranzistore novom tehnologijom dopinga - umjesto dodavanja čvrstih kuglica nečistoća u tečnu talinu, uveli su plinovite aditive u čvrstu površinu poluvodiča (). Pažljivom kontrolom temperature, pritiska i trajanja postupka postigli su tačno potrebnu dubinu i stepen dopinga. Veća kontrola nad procesom proizvodnje dala je veću kontrolu nad električnim svojstvima finalnog proizvoda. Što je još važnije, termička difuzija je omogućila proizvodnju proizvoda u serijama - mogli ste dopuniti veliku ploču silicijuma i zatim je izrezati u tranzistore. Vojska je obezbijedila sredstva za Bell Laboratories jer je postavljanje proizvodnje zahtijevalo visoke troškove unaprijed. Trebao im je novi proizvod za radarsku vezu ultravisoke frekvencije ranog upozorenja (“"), lanac arktičkih radarskih stanica dizajniranih da otkriju sovjetske bombardere koji lete sa Sjevernog pola, i bili su spremni da daju 100 dolara po tranzistoru (to su bili dani kada se novi automobil mogao kupiti za 2000 dolara).
Legiranje sa , koji je kontrolirao lokaciju nečistoća, otvorio je mogućnost urezivanja cijelog kola u potpunosti na jednoj poluvodičkoj podlozi - o tome su istovremeno razmišljali Fairchild Semiconductor i Texas Instruments 1959.“ iz Fairchild-a je koristio kemijsko taloženje metalnih filmova koji povezuju električne kontakte tranzistora. Uklonio je potrebu za ručnim ožičenjem, smanjio troškove proizvodnje i povećao pouzdanost.
Konačno, 1960. godine, dva inženjera Bell Labsa (John Atalla i Davon Kahn) implementirali su Shockleyjev originalni koncept za tranzistor sa efektom polja. Tanak sloj oksida na površini poluprovodnika bio je u stanju da efikasno potisne površinska stanja, uzrokujući da električno polje iz aluminijumske kapije prodre u silicijum. Tako je nastao MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (ili MOS struktura, od metal-oxide-semiconductor), koji se pokazao tako lakim za minijaturizaciju i koji se još uvijek koristi u gotovo svim modernim računarima (zanimljivo , Atalla je iz Egipta, a Kang iz Južne Koreje i praktično samo ova dva inženjera iz čitave naše istorije nemaju evropske korene).
Konačno, trinaest godina nakon pronalaska prvog tranzistora, pojavilo se nešto što liči na tranzistor u vašem kompjuteru. Bio je lakši za proizvodnju i koristio je manje energije od spojnog tranzistora, ali je prilično sporo reagirao na signale. Tek sa proliferacijom velikih integrisanih kola, sa stotinama ili hiljadama komponenti smeštenih na jednom čipu, prednosti tranzistora sa efektom polja došle su do izražaja.
Ilustracija iz patenta tranzistora sa efektom polja
Efekat polja bio je posljednji veliki doprinos Bell Labs-a razvoju tranzistora. Veliki proizvođači elektronike kao što su Bell Laboratories (sa svojim Western Electric), General Electric, Sylvania i Westinghouse prikupili su impresivnu količinu istraživanja poluvodiča. Od 1952. do 1965. godine, samo Bell Laboratories registrovao je više od dvije stotine patenata na ovu temu. Ipak, komercijalno tržište je brzo palo u ruke novih igrača kao što su Texas Instruments, Transitron i Fairchild.
Rano tržište tranzistora bilo je premalo da bi privuklo pažnju glavnih igrača: oko 18 miliona dolara godišnje sredinom 1950-ih, u poređenju sa ukupnim tržištem elektronike od 2 milijarde dolara. Međutim, istraživačke laboratorije ovih divova služile su kao nenamjerni kampovi za obuku gde bi mladi naučnici mogli da apsorbuju znanje o poluprovodnicima pre nego što pređu na prodaju svojih usluga manjim firmama. Kada je sredinom 1960-ih tržište cijevne elektronike počelo ozbiljno da se smanjuje, bilo je prekasno za Bell Labs, Westinghouse i ostale da se takmiče s početnicima.
Prelazak računara na tranzistore
U 1950-im, tranzistori su napali svijet elektronike u četiri glavna područja. Prva dva su bili slušni aparati i prijenosni radio uređaji, gdje su niska potrošnja energije i rezultat dugog vijeka trajanja baterije nadjačali druge razmatranje. Treća je bila vojna upotreba. Američka vojska je polagala velike nade u tranzistore kao pouzdane, kompaktne komponente koje bi se mogle koristiti u svemu, od terenskih radija do balističkih projektila. Međutim, u prvim danima njihova potrošnja na tranzistore više je izgledala kao opklada u budućnost tehnologije nego kao potvrda njihove tadašnje vrijednosti. I konačno, tu je bilo i digitalno računarstvo.
Na polju kompjutera, nedostaci prekidača sa vakumskim cijevima bili su dobro poznati, a neki skeptici su prije rata čak vjerovali da se od elektronskog računara ne može napraviti praktičan uređaj. Kada su hiljade lampi sakupljene u jednom uređaju, one su pojele električnu energiju, proizvodeći ogromne količine toplote, a u pogledu pouzdanosti moglo se osloniti samo na njihovo redovno sagorevanje. Stoga je tranzistor male snage, hladan i bez navoja postao spasitelj proizvođača računara. Njegovi nedostaci kao pojačalo (bučniji izlaz, na primjer) nisu bili toliki problem kada se koristio kao prekidač. Jedina prepreka je bio trošak, koji bi vremenom počeo naglo da pada.
Svi rani američki eksperimenti s tranzistoriziranim kompjuterima dogodili su se na sjecištu želje vojske da istraži potencijal obećavajuće nove tehnologije i želje inženjera da pređu na poboljšane prekidače.
Bell Labs je 1954. godine izgradio TRADIC za američko ratno zrakoplovstvo kako bi vidio da li bi tranzistori omogućili instaliranje digitalnog kompjutera na bombarderu, zamjenjujući analognu navigaciju i pomoć u pronalaženju ciljeva. Laboratorija MIT Lincoln razvila je računar TX-0 kao dio opsežnog projekta protivvazdušne odbrane 1956. godine. Mašina je koristila drugu varijantu tranzistora sa površinskom barijerom, vrlo pogodnu za računanje velike brzine. Philco je napravio svoj SOLO kompjuter prema ugovoru s mornaricom (ali zapravo na zahtjev NSA), završivši ga 1958. (koristeći drugu varijantu tranzistora sa površinskom barijerom).
U zapadnoj Evropi, manje obdarenoj resursima tokom Hladnog rata, priča je bila sasvim drugačija. Mašine kao što je Manchester Transistor Computer, (drugo ime inspirirano projektom ENIAC, a napisano unatrag), i austrijski bili su sporedni projekti koji su koristili resurse koje su njihovi kreatori mogli skupiti – uključujući tranzistore prve generacije sa jednom tačkom.
Mnogo je kontroverzi oko naslova prvog kompjutera koji je koristio tranzistore. Sve se, naravno, svodi na odabir pravih definicija za riječi poput "prvi", "tranzistor" i "kompjuter". U svakom slučaju, znamo gdje se priča završava. Komercijalizacija tranzistorizovanih računara počela je skoro odmah. Iz godine u godinu, kompjuteri za istu cijenu postajali su sve moćniji, a računari iste snage postajali jeftiniji, a ovaj proces je izgledao toliko neumoljiv da je uzdignut na rang zakona, pored gravitacije i očuvanja energije. Trebamo li se raspravljati o tome koji se kamenčić prvi srušio?
Odakle dolazi Moorov zakon?
Kako se približavamo kraju priče o prekidaču, vrijedi se zapitati: šta je uzrokovalo ovaj kolaps? Zašto Mooreov zakon postoji (ili je postojao - o tome ćemo raspravljati drugi put)? Ne postoji Mooreov zakon za avione ili usisivače, kao što ne postoji niko za usisne cijevi ili releje.
Odgovor ima dva dela:
- Logička svojstva prekidača kao kategorije artefakta.
- Sposobnost korištenja čisto hemijskih procesa za izradu tranzistora.
Prvo, o suštini prekidača. Svojstva većine artefakata moraju zadovoljiti širok raspon neoprostivih fizičkih ograničenja. Putnički avion mora izdržati ukupnu težinu mnogih ljudi. Usisivač mora biti u stanju da u određenom vremenu usiše određenu količinu prljavštine iz određenog fizičkog područja. Avioni i usisivači bili bi beskorisni ako bi se sveli na nanosmjeru.
Prekidač, automatski prekidač koji nikada nije dodirnula ljudska ruka, ima mnogo manje fizičkih ograničenja. Mora imati dva različita stanja i mora biti u stanju komunicirati sa drugim sličnim prekidačima kada se njihova stanja promijene. Odnosno, sve što treba da bude u stanju je da se uključi i isključi. Šta je tako posebno u vezi sa tranzistorima? Zašto druge vrste digitalnih prekidača nisu doživjele takva eksponencijalna poboljšanja?
Ovdje dolazimo do druge činjenice. Tranzistori se mogu napraviti hemijskim procesima bez mehaničke intervencije. Od samog početka, ključni element proizvodnje tranzistora bila je upotreba hemijskih nečistoća. Zatim je uslijedio planarni proces, koji je eliminirao posljednji mehanički korak iz proizvodnje – pričvršćivanje žica. Kao rezultat toga, riješio se posljednjeg fizičkog ograničenja minijaturizacije. Tranzistori više nisu trebali biti dovoljno veliki za ljudske prste—ili bilo koji mehanički uređaj. Sve je to učinjeno jednostavnom hemijom, u nezamislivo malom obimu: kiselina za nagrizanje, svjetlo za kontrolu koji će dijelovi površine odoljeti jetkanju i para da unese nečistoće i metalne filmove u urezane tragove.
Zašto je minijaturizacija uopšte neophodna? Smanjenje veličine dalo je čitavu galaksiju ugodnih nuspojava: povećanu brzinu prebacivanja, smanjenu potrošnju energije i cijenu pojedinačnih kopija. Ovi snažni poticaji naveli su sve da traže načine za dalje smanjenje prekidača. Industrija poluprovodnika prošla je put od proizvodnje prekidača veličine nokta do pakovanja desetina miliona prekidača po kvadratnom milimetru u životu jednog čovjeka. Od traženja osam dolara za jedan prekidač do ponude dvadeset miliona prekidača za dolar.
Intel 1103 memorijski čip iz 1971. Pojedinačni tranzistori, veličine samo desetine mikrometara, više nisu vidljivi oku. I od tada su se smanjile još hiljadu puta.
Šta još pročitati:
- Ernest Bruan i Stuart MacDonald, Revolucija u minijaturi (1978.)
- Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Kristalna vatra (1997)
- Joel Shurkin, Slomljeni genije (1997)
izvor: www.habr.com