Altres articles de la sèrie:
- Història del relleu
- Història dels ordinadors electrònics
- Història del transistor
- Història d'Internet
Durant més de cent anys, el gos analògic ha estat movent la cua digital. Els intents d'ampliar les capacitats dels nostres sentits -la visió, l'oïda i fins i tot, en cert sentit, el tacte- van portar els enginyers i científics a buscar millors components per a telègrafs, telèfons, ràdios i radars. Va ser només per pura sort que aquesta recerca va descobrir el camí cap a la creació de nous tipus de màquines digitals. I vaig decidir explicar la història d'aquesta constant , durant el qual els enginyers de telecomunicacions van subministrar les matèries primeres per als primers ordinadors digitals, i de vegades fins i tot van dissenyar i construir aquests ordinadors.
Però als anys 1960, aquesta fructífera col·laboració va arribar a la seva fi, i amb ella la meva història. Els fabricants d'equips digitals ja no havien de mirar cap al món del telègraf, el telèfon i la ràdio per buscar nous interruptors millorats, ja que el transistor en si proporcionava una font inesgotable de millores. Any rere any van cavar més i més a fons, sempre trobant maneres d'augmentar exponencialment la velocitat i reduir els costos.
Tanmateix, res d'això hauria passat si la invenció del transistor s'hagués aturat .
Inici lent
Hi havia poc entusiasme a la premsa popular per l'anunci de Bell Labs sobre la invenció del transistor. L'1 de juliol de 1948, The New York Times va dedicar tres paràgrafs a l'esdeveniment al final del seu informe Radio News. A més, aquesta notícia va aparèixer després d'altres, òbviament considerades més importants: per exemple, el programa de ràdio d'una hora de durada "Waltz Time", que havia de sortir a la NBC. En retrospectiva, potser volem riure, o fins i tot renyar els autors desconeguts: com no van reconèixer l'esdeveniment que va capgirar el món?
Però la retrospectiva distorsiona la percepció, amplificant els senyals la importància dels quals sabem que es van perdre en un mar de soroll en aquell moment. El transistor de 1948 era molt diferent dels transistors dels ordinadors en què esteu llegint aquest article (tret que hàgiu decidit imprimir-lo). Es diferencien tant que, malgrat el mateix nom i la línia ininterrompuda d'herència que els uneix, s'han de considerar espècies diferents, si no gèneres diferents. Tenen composicions diferents, estructures diferents, principis de funcionament diferents, per no parlar de la gran diferència de mida. Va ser només mitjançant una reinvenció constant que el maldestre aparell construït per Bardeen i Brattain va poder transformar el món i les nostres vides.
De fet, el transistor de germani d'un sol punt no mereixia més atenció de la que va rebre. Tenia diversos defectes heretats del tub de buit. Era, per descomptat, molt més petit que els llums més compactes. L'absència d'un filament calent significava que produïa menys calor, consumia menys energia, no es cremava i no necessitava escalfar abans d'utilitzar-lo.
Tanmateix, l'acumulació de brutícia a la superfície de contacte va provocar fallades i va negar el potencial d'una vida útil més llarga; donava un senyal més sorollós; només funcionava a baixes potències i en un rang de freqüències estret; fallat en presència de calor, fred o humitat; i no es va poder produir de manera uniforme. Diversos transistors creats de la mateixa manera per les mateixes persones tindrien característiques elèctriques molt diferents. I tot això va tenir un cost vuit vegades superior al d'un llum estàndard.
No va ser fins al 1952 que Bell Labs (i altres titulars de patents) havien resolt prou els problemes de fabricació perquè els transistors d'un sol punt es convertís en dispositius pràctics, i fins i tot llavors no es van estendre gaire més enllà del mercat dels audiòfons, on la sensibilitat al preu era relativament baixa. . i els avantatges en termes de durada de la bateria van superar els desavantatges.
Tanmateix, aleshores ja havien començat els primers intents de convertir el transistor en alguna cosa millor i més útil. De fet, van començar molt abans del moment en què el públic va conèixer la seva existència.
Les ambicions de Shockley
Cap a finals de 1947, Bill Shockley va fer un viatge a Chicago amb molta emoció. Tenia idees vagues sobre com vèncer el transistor recentment inventat de Bardeen i Brattain, però encara no havia tingut l'oportunitat de desenvolupar-los. Així que en comptes de gaudir d'un descans entre les etapes del treball, va passar el Nadal i l'Any Nou a l'hotel, omplint unes 20 pàgines d'un quadern amb les seves idees. Entre ells hi havia una proposta per a un nou transistor que consistia en un sandvitx de semiconductor: una llesca de germani de tipus p entre dues peces de tipus n.
Encoratjat per aquest as a la màniga, Shockley va reclamar a Bardeen i Brattain el seu retorn a Murray Hill, reclamant tot el mèrit d'inventar el transistor. No va ser la seva idea de l'efecte de camp el que va portar a Bardeen i Brattain al laboratori? Això no hauria de fer necessari cedir-li tots els drets de la patent? Tanmateix, el truc de Shockley va resultar contraproduent: els advocats de patents de Bell Labs van descobrir que l'inventor desconegut, , va patentar un amplificador d'efecte de camp de semiconductors gairebé 20 anys abans, el 1930. Lilienfeld, per descomptat, mai va implementar la seva idea, donat l'estat dels materials en aquell moment, però el risc de solapament era massa gran; era millor evitar esmentar completament. l'efecte de camp en la patent
Així, tot i que Bell Labs va donar a Shockley una generosa part del crèdit de l'inventor, només van anomenar Bardeen i Brattain a la patent. Tanmateix, el que s'ha fet no es pot desfer: les ambicions de Shockley van destruir la seva relació amb dos subordinats. Bardeen va deixar de treballar en el transistor i es va concentrar en la superconductivitat. Va deixar els laboratoris l'any 1951. Brattain hi va romandre, però es va negar a treballar de nou amb Shockley i va insistir a ser traslladat a un altre grup.
A causa de la seva incapacitat per treballar amb altres persones, Shockley mai va fer cap progrés als laboratoris, així que també va marxar d'allà. El 1956, va tornar a casa a Palo Alto per fundar la seva pròpia empresa de transistors, Shockley Semiconductor. Abans de marxar, es va separar de la seva dona Jean mentre ella es recuperava d'un càncer d'úter, i es va relacionar amb Emmy Lanning, amb qui aviat es va casar. Però de les dues meitats del seu somni californian -una nova empresa i una nova dona- només una es va fer realitat. L'any 1957, els seus millors enginyers, enfadats pel seu estil de gestió i la direcció en què portava l'empresa, el van deixar per fundar una nova empresa, Fairchild Semiconductor.
Shockley el 1956
Així doncs, Shockley va abandonar la carcassa buida de la seva empresa i va ocupar una feina al departament d'enginyeria elèctrica de Stanford. Allà va continuar alienant els seus col·legues (i el seu amic més antic, el físic ) teories de la degeneració racial que li interessaven i – temes impopulars als Estats Units des del final de la darrera guerra, especialment en els cercles acadèmics. Li va agradar despertar polèmica, agitar els mitjans i provocar protestes. Va morir el 1989, allunyat dels seus fills i col·legues, i només va rebre la visita de la seva sempre devota segona dona, Emmy.
Tot i que els seus dèbils intents d'emprenedoria van fracassar, Shockley havia plantat una llavor en un sòl fructífer. L'àrea de la badia de San Francisco va produir moltes petites empreses d'electrònica, que es van eliminar amb el finançament del govern federal durant la guerra. Fairchild Semiconductor, la descendència accidental de Shockley, va generar desenes de noves empreses, un parell de les quals encara avui es coneixen: Intel i Advanced Micro Devices (AMD). A principis de la dècada de 1970, la zona s'havia guanyat el sobrenom de "Silicon Valley". Però espera un minut: Bardeen i Brattain van crear el transistor de germani. D'on prové el silici?
Així era el lloc abandonat de Mountain View que antigament albergava Shockley Semiconductor el 2009. Avui l'edifici ha estat enderrocat.
Cap a la cruïlla de silici
El destí d'un nou tipus de transistor, inventat per Shockley en un hotel de Chicago, va ser molt més feliç que el del seu inventor. Tot és gràcies al desig d'un home de fer créixer cristalls de semiconductors únics i purs. Gordon Teal, un químic físic de Texas que havia estudiat l'aleshores inútil germani per al seu doctorat, va ocupar una feina a Bell Labs als anys trenta. Després d'haver après sobre el transistor, es va convèncer que la seva fiabilitat i potència es podrien millorar significativament creant-lo a partir d'un cristall únic pur, en lloc de les mescles policristalines que s'utilitzaven llavors. Shockley va rebutjar els seus esforços com un malbaratament de recursos.
Tanmateix, Teal va persistir i va aconseguir l'èxit, amb l'ajuda de l'enginyer mecànic John Little, creant un dispositiu que extreu una petita llavor de cristall del germani fos. A mesura que el germani es refredava al voltant del nucli, va expandir la seva estructura cristal·lina, creant una xarxa semiconductora contínua i gairebé pura. A la primavera de 1949, Teal i Little podien crear cristalls per encàrrec, i les proves van demostrar que estaven molt per darrere dels seus competidors policristalins. En particular, els transportadors menors afegits podrien sobreviure a l'interior durant cent microsegons o fins i tot més (en comparació amb no més de deu microsegons en altres mostres de cristall).
Ara Teal es podia permetre més recursos i va reclutar més persones al seu equip, entre les quals hi havia un altre químic físic que va venir a Bell Labs des de Texas: Morgan Sparks. Van començar a alterar la fusió per fer germani de tipus p o n afegint perles d'impureses adequades. En un any, havien millorat la tecnologia fins a tal punt que podien fer créixer un sandvitx de germani npn directament a la fosa. I va funcionar exactament com va predir Shockley: un senyal elèctric del material de tipus p va modular el corrent elèctric entre dos conductors connectats a les peces de tipus n que l'envolten.
Morgan Sparks i Gordon Teal en un banc de treball de Bell Labs
Aquest transistor d'unió creixent supera el seu avantpassat de contacte de punt únic en gairebé tots els sentits. En particular, era més fiable i previsible, produïa molt menys soroll (i, per tant, era més sensible) i era extremadament eficient energèticament: consumia un milió de vegades menys que un tub de buit típic. El juliol de 1951, Bell Labs va celebrar una altra conferència de premsa per anunciar el nou invent. Fins i tot abans que el primer transistor aconseguís arribar al mercat, ja havia esdevingut essencialment irrellevant.
I, tanmateix, això era només el començament. El 1952, General Electric (GE) va anunciar el desenvolupament d'un nou procés per fabricar transistors d'unió, el mètode de fusió. En el seu marc, es van fusionar dues boles d'indi (un donant de tipus p) a banda i banda d'una llesca fina de germani de tipus n. Aquest procés era més senzill i més barat que les unions en creixement en un aliatge; aquest transistor donava menys resistència i suportava freqüències més altes.
Transistors cultivats i fusionats
L'any següent, Gordon Teal va decidir tornar al seu estat natal i va treballar a Texas Instruments (TI) a Dallas. La companyia va ser fundada com a Geophysical Services, Inc., i inicialment va produir equips per a l'exploració de petroli, TI havia obert una divisió d'electrònica durant la guerra i ara estava entrant al mercat de transistors sota llicència de Western Electric (la divisió de fabricació de Bell Labs).
Teal va portar amb ell noves habilitats apreses als laboratoris: la capacitat de créixer i monocristalls de silici. La debilitat més evident del germani va ser la seva sensibilitat a la temperatura. Quan s'exposen a la calor, els àtoms de germani del cristall desprenen ràpidament electrons lliures i es va convertir cada cop més en conductor. A una temperatura de 77 °C va deixar de funcionar com un transistor. L'objectiu principal de les vendes de transistors era l'exèrcit: un consumidor potencial amb una sensibilitat al preu baixa i una gran necessitat de components electrònics estables, fiables i compactes. Tanmateix, el germani sensible a la temperatura no seria útil en moltes aplicacions militars, especialment en el camp aeroespacial.
El silici era molt més estable, però va tenir el preu d'un punt de fusió molt més alt, comparable al de l'acer. Això va provocar enormes dificultats, atès que es necessitaven cristalls molt purs per crear transistors d'alta qualitat. El silici fos calent absorbiria els contaminants de qualsevol gresol on es trobés. Teel i el seu equip de TI van poder superar aquests reptes mitjançant mostres de silici ultra pur de DuPont. El maig de 1954, en una conferència de l'Institut d'Enginyeria de Ràdio a Dayton, Ohio, Teal va demostrar que els nous dispositius de silici produïts al seu laboratori continuaven funcionant fins i tot quan estaven immersos en oli calent.
Advenços amb èxit
Finalment, uns set anys després que es va inventar el transistor, es va poder fer amb el material amb el qual s'havia convertit en sinònim. I passarà aproximadament el mateix temps abans que apareguin transistors que s'assemblen aproximadament a la forma que s'utilitza en els nostres microprocessadors i xips de memòria.
El 1955, els científics de Bell Labs van aprendre amb èxit a fabricar transistors de silici amb una nova tecnologia de dopatge: en comptes d'afegir boles sòlides d'impureses a un líquid fos, van introduir additius gasosos a la superfície sòlida del semiconductor (). Controlant acuradament la temperatura, la pressió i la durada del procediment, van aconseguir exactament la profunditat i el grau de dopatge requerits. Un major control sobre el procés de fabricació ha donat un major control sobre les propietats elèctriques del producte final. Més important encara, la difusió tèrmica va permetre produir el producte per lots: podríeu dopar una gran llosa de silici i després tallar-la en transistors. L'exèrcit va proporcionar finançament als laboratoris Bell perquè la creació de producció requeria costos inicials elevats. Necessitaven un producte nou per a un enllaç de radar d'alerta primerenca d'ultra-alta freqüència (""), una cadena d'estacions de radar àrtiques dissenyades per detectar bombarders soviètics que volien des del Pol Nord, i estaven disposats a pagar 100 dòlars per transistor (eren els dies en què es podia comprar un cotxe nou per 2000 dòlars).
Aliança amb , que controlava la ubicació de les impureses, va obrir la possibilitat de gravar tot el circuit sencer en un substrat semiconductor; això va ser simultàniament pensat per Fairchild Semiconductor i Texas Instruments el 1959. "" de Fairchild va utilitzar la deposició química de pel·lícules metàl·liques connectant els contactes elèctrics del transistor. Va eliminar la necessitat de crear cablejat manual, va reduir els costos de producció i va augmentar la fiabilitat.
Finalment, el 1960, dos enginyers de Bell Labs (John Atalla i Davon Kahn) van implementar el concepte original de Shockley per a un transistor d'efecte de camp. Una fina capa d'òxid a la superfície del semiconductor va ser capaç de suprimir eficaçment els estats superficials, fent que el camp elèctric de la porta d'alumini penetrés al silici. Així va néixer el MOSFET [transistor d'efecte de camp semiconductor d'òxid metàl·lic] (o estructura MOS, a partir d'òxid metàl·lic-semiconductor), que va resultar ser tan fàcil de miniaturitzar, i que encara s'utilitza en gairebé tots els ordinadors moderns (curiosament). , Atalla ve d'Egipte, i Kang és de Corea del Sud, i pràcticament només aquests dos enginyers de tota la nostra història no tenen arrels europees).
Finalment, tretze anys després de la invenció del primer transistor, va aparèixer alguna cosa semblant al transistor del vostre ordinador. Era més fàcil de fabricar i utilitzava menys potència que el transistor d'unió, però era bastant lent per respondre als senyals. Va ser només amb la proliferació de circuits integrats a gran escala, amb centenars o milers de components situats en un sol xip, que els avantatges dels transistors d'efecte de camp van sortir a primer pla.
Il·lustració de la patent del transistor d'efecte de camp
L'efecte de camp va ser l'última gran contribució de Bell Labs al desenvolupament del transistor. Els principals fabricants d'electrònica com Bell Laboratories (amb la seva Western Electric), General Electric, Sylvania i Westinghouse han acumulat una quantitat impressionant d'investigació sobre semiconductors. Del 1952 al 1965, els Laboratoris Bell van registrar per si sols més de dues-centes patents sobre aquest tema. No obstant això, el mercat comercial va caure ràpidament en mans de nous jugadors com Texas Instruments, Transitron i Fairchild.
El mercat dels primers transistors era massa petit per atreure l'atenció dels principals actors: uns 18 milions de dòlars anuals a mitjans de la dècada de 1950, en comparació amb un mercat d'electrònica total de 2 milions de dòlars. Tanmateix, els laboratoris d'investigació d'aquests gegants van servir com a camps d'entrenament inadvertits. on els joves científics podrien absorbir el coneixement dels semiconductors abans de passar a vendre els seus serveis a empreses més petites. Quan el mercat de l'electrònica de tubs va començar a reduir-se seriosament a mitjans dels anys 1960, ja era massa tard perquè Bell Labs, Westinghouse i la resta poguessin competir amb els advenents.
La transició dels ordinadors als transistors
A la dècada de 1950, els transistors van envair el món de l'electrònica en quatre grans àrees. Els dos primers eren audiòfons i ràdios portàtils, on el baix consum d'energia i la llarga durada de la bateria resultant anul·laven altres consideracions. El tercer va ser l'ús militar. L'exèrcit nord-americà tenia moltes esperances en els transistors com a components fiables i compactes que es podien utilitzar en tot, des de ràdios de camp fins a míssils balístics. Tanmateix, en els primers dies, la seva despesa en transistors semblava més una aposta pel futur de la tecnologia que una confirmació del seu valor aleshores. I finalment, també hi havia la informàtica digital.
En el camp de la informàtica, les deficiències dels interruptors de tubs de buit eren ben conegudes, amb alguns escèptics abans de la guerra fins i tot creien que un ordinador electrònic no es podia convertir en un dispositiu pràctic. Quan es van recollir milers de làmpades en un mateix dispositiu, van consumir electricitat, produint enormes quantitats de calor i, en termes de fiabilitat, només es podia confiar en el seu esgotament habitual. Per tant, el transistor de baixa potència, fresc i sense fils es va convertir en el salvador dels fabricants d'ordinadors. Els seus inconvenients com a amplificador (sortida més sorollosa, per exemple) no van ser un problema quan s'utilitzava com a interruptor. L'únic obstacle era el cost, i en el seu moment començaria a caure bruscament.
Tots els primers experiments nord-americans amb ordinadors transistoritzats es van produir en la intersecció del desig dels militars d'explorar el potencial d'una nova tecnologia prometedora i el desig dels enginyers de passar a interruptors millorats.
Bell Labs va construir TRADIC per a la Força Aèria dels EUA l'any 1954 per veure si els transistors permetrien instal·lar un ordinador digital a bord d'un bombarder, substituint la navegació analògica i ajudant en l'adquisició d'objectius. El MIT Lincoln Laboratory va desenvolupar l'ordinador TX-0 com a part d'un extens projecte de defensa aèria l'any 1956. La màquina va utilitzar una altra variant del transistor de barrera de superfície, molt adequada per a la computació d'alta velocitat. Philco va construir el seu ordinador SOLO sota un contracte amb la Marina (però en realitat a petició de la NSA), acabant-lo el 1958 (utilitzant una altra variant del transistor de barrera de superfície).
A l'Europa occidental, menys dotada de recursos durant la Guerra Freda, la història era molt diferent. Màquines com el Manchester Transistor Computer, (un altre nom inspirat en el projecte ENIAC, i escrit al revés), i austríac eren projectes paralels que utilitzaven els recursos que els seus creadors podien reunir, inclosos els transistors d'un sol punt de primera generació.
Hi ha molta controvèrsia sobre el títol del primer ordinador que va utilitzar transistors. Tot es redueix, per descomptat, a triar les definicions adequades per a paraules com "primer", "transistor" i "ordinador". En qualsevol cas, sabem on acaba la història. La comercialització d'ordinadors transistoritzats va començar gairebé immediatament. Any rere any, els ordinadors pel mateix preu es van fer cada cop més potents, i els ordinadors de la mateixa potència es van abaratir, i aquest procés semblava tan inexorable que va ser elevat al rang de llei, al costat de la gravetat i la conservació de l'energia. Hem de discutir sobre quin còdol va ser el primer que es va esfondrar?
D'on ve la llei de Moore?
Quan ens acostem al final de la història de l'interruptor, val la pena preguntar-se: què va provocar aquest col·lapse? Per què existeix la llei de Moore (o existia; això ho discutirem una altra vegada)? No hi ha cap llei de Moore per als avions o les aspiradores, de la mateixa manera que no hi ha ningú per als tubs de buit o els relés.
La resposta té dues parts:
- Propietats lògiques d'un interruptor com a categoria d'artefacte.
- La capacitat d'utilitzar processos purament químics per fabricar transistors.
En primer lloc, sobre l'essència de l'interruptor. Les propietats de la majoria dels artefactes han de satisfer una àmplia gamma de restriccions físiques imperdonables. Un avió de passatgers ha de suportar el pes combinat de moltes persones. Una aspiradora ha de ser capaç d'aspirar una certa quantitat de brutícia en un temps determinat d'una zona física determinada. Els avions i les aspiradores serien inútils si es reduïssin a nanoescala.
Un interruptor, un interruptor automàtic que mai ha estat tocat per una mà humana, té moltes menys limitacions físiques. Ha de tenir dos estats diferents i ha de poder comunicar-se amb altres commutadors similars quan els seus estats canvien. És a dir, tot el que hauria de poder fer és encendre i apagar. Què tenen d'especial els transistors? Per què altres tipus d'interruptors digitals no han experimentat millores tan exponencials?
Aquí arribem al segon fet. Els transistors es poden fabricar mitjançant processos químics sense intervenció mecànica. Des del principi, un element clau de la producció de transistors va ser l'ús d'impureses químiques. Després va venir el procés pla, que va eliminar l'últim pas mecànic de la producció: connectar els cables. Com a resultat, es va desfer de l'última limitació física de la miniaturització. Els transistors ja no havien de ser prou grans per als dits humans, ni per a qualsevol dispositiu mecànic. Tot es va fer mitjançant una química simple, a una escala inimaginablement petita: àcid per gravar, llum per controlar quines parts de la superfície resistirien el gravat i vapor per introduir impureses i pel·lícules metàl·liques a les pistes gravades.
Per què és necessària la miniaturització? La reducció de la mida va donar a tota una galàxia d'efectes secundaris agradables: augment de la velocitat de commutació, reducció del consum d'energia i el cost de les còpies individuals. Aquests poderosos incentius han portat a tothom a buscar maneres de reduir encara més els interruptors. I la indústria dels semiconductors ha passat de fabricar interruptors de la mida d'una ungla a empaquetar desenes de milions d'interruptors per mil·límetre quadrat durant la vida d'un home. De demanar vuit dòlars per un canvi a oferir vint milions de canvis per un dòlar.
Xip de memòria Intel 1103 de 1971. Els transistors individuals, de només desenes de micròmetres de mida, ja no són visibles a l'ull. I des de llavors han disminuït mil vegades més.
Què més cal llegir:
- Ernest Bruan i Stuart MacDonald, Revolució en miniatura (1978)
- Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Geni trencat (1997)
Font: www.habr.com