Další články cyklu:
- Historie relé
- Historie elektronických počítačů
- Historie tranzistoru
- Historie internetu
Více než sto let analogový pes mával digitálním ocasem. Pokusy rozšířit možnosti našich smyslů – vidění, slyšení a dokonce, v jistém smyslu, hmat – vedly inženýry a vědce k hledání lepších komponentů pro telegraph, telefon, rádio a radary. Pouze díky šťastné náhodě tyto snahy odhalily cestu k vytvoření nových typů digitálních strojů. A rozhodl jsem se vyprávět příběh této stálé , během které inženýři spojů dodávali suroviny pro první digitální počítače a někdy je dokonce sami navrhovali a vytvářeli.
Ale do 60. let toto plodné partnerství dospělo ke konci, stejně jako můj příběh. Výrobci digitálního vybavení již nemuseli nahlížet do světa telegrafu, telefonu a rádia při hledání nových, vylepšených spínačů, protože samotný tranzistor poskytl nevyčerpatelný zdroj vylepšení. Rok co rok kopali stále hlouběji, vždy nacházeli způsoby, jak exponenciálně zvyšovat rychlost provozu a snižovat náklady.
Nicméně k ničemu z toho by nedošlo, kdyby vynález tranzistoru ustrnul na .
Pomalý start
V populárním tisku nebylo příliš aktivního nadšení ohledně oznámení laboratoří Bell o vynálezu tranzistoru. Dne 1. července 1948 věnoval The New York Times této události tři odstavce na dně shrnutí "Zprávy o rádiu". Tato zpráva se přitom objevila po jiných, očividně považovaných za důležitější: například hodinu rozhlasové show "Čas valčíku", která se měla objevit na NBC. Zpětně se možná budeme chtít smát, nebo dokonce kárat neznámé autory – jak mohli nerozpoznat událost, která změnila svět?
Avšak pohled do minulosti zkresluje vnímání, posiluje ty signály, jejichž významu rozumíme, i když v té době se ztrácely v moři šumu. Tranzistor z roku 1948 se zásadně lišil od tranzistorů počítačů, na jednomž z nichž čtete tento článek (pokud se nestanovíte ji vytisknout). Lišily se natolik, že, přestože mají stejné označení a spojuje je nepřetržitá linie dědictví, měly by být považovány za různé druhy, ne-li různé kategorie. Měly odlišné složení, strukturu, princip fungování, nemluvě o obrovském rozdílu ve velikosti. Jen díky neustálému opakovanému vynalézání dokázalo neohrabané zařízení, které vytvořili Bardin a Brattain, proměnit svět a náš život.
Ve skutečnosti germaniový tranzistor s jedním bodem kontaktu si nezasloužil větší pozornost, než kterou dostal. Měl několik vad zděděných po elektronkové lampě. Byl samozřejmě mnohem menší než nejkompaktnější lampy. Absence rozžhaveného vlákna znamenala, že produkuje méně tepla, spotřebovává méně energie, nevyhoří a nevyžaduje před použitím zahřátí.
Nicméně hromadění špíny na kontaktní ploše vedlo k poruchám a zbavovalo potenciálu delší životnosti; vydával hlučnější signál; pracoval pouze při nízkých výkonech a v úzkém frekvenčním rozsahu; selhával při teple, chladu nebo vlhku; a nedalo se vyrábět jednotně. Několik tranzistorů vyrobených stejným způsobem stejnými lidmi mělo zoufale odlišné elektrické charakteristiky. A to vše bylo doprovázeno cenou osmkrát vyšší než standardní lampa.
Až do roku 1952 laboratoře Bell (a další vlastníci patentu) vyřešily výrobní problémy dostatečně, aby se tranzistory s jedním bodem kontaktu staly praktickými zařízeními, a dokonce ani tehdy se nepříliš rozšířily dál než na trh sluchadel, kde byla citlivost na cenu relativně nízká a výhody v oblasti výdrže baterie převyšovaly nevýhody.
Avšak už v té době začaly první pokusy přetvořit tranzistor na něco lepšího a užitečnějšího. Tyto pokusy v podstatě začaly mnohem dříve, než se veřejnost dozvěděla o jeho existenci.
Ambice Shockleyho
Na konci roku 1947 se Bill Shockley vzrušeně vydal na cestu do Chicaga. Měl rozmazané představy o tom, jak překonat nedávno vynalezený tranzistor Bardinem a Brattainem, ale dosud měl málo příležitostí je vyvinout. Místo toho, aby si užíval přestávku mezi fázemi práce, strávil Vánoce a Nový rok v hotelu, kde napsal asi 20 stran svých myšlenek do zápisníku. Mezi nimi byla také myšlenka na nový tranzistor, složený ze polovodičového sendviče – plátku typu p z germánia mezi dvěma plátky typu n.
Povzbuzován tímto trumfem v rukávu, Shockley vznesl vůči Bardinovi a Brattainovi obvinění po jejich návratu do Murray Hill, žádajíc o veškerou slávu za vynález tranzistoru. Nebyla to snad jeho myšlenka o poli efektu, která přiměla Bardina a Brattaina usadit se v laboratoři? Není třeba kvůli tomu přenést všechna patentová práva na něj? Ale Shockleyho lest se mu vymstila: patentoví právníci laboratoří Bell zjistili, že neznámý vynálezce, , patentoval polovodičový zesilovač s polním efektem téměř 20 let předtím, v roce 1930. Lilienfeld, samozřejmě, svou myšlenku nikdy nezrealizoval, vzhledem k tehdejší úrovni materiálů, ale riziko překryvu bylo příliš vysoké – bylo lepší se v patentu úplně vyhnout zmínce o poli efektu.
Takže, ačkoliv laboratoře Bell udělily Shockleymu štědrý podíl slávy vynálezce, v patentu byli zmínění pouze Bardin a Brattain. Avšak co bylo uděláno, nelze vzít zpět: Shockleyho ambice zničily jeho vztahy s oběma podřízenými. Bardin přestal pracovat na tranzistoru a soustředil se na supravodivost. Opustil laboratoře v roce 1951. Brattain tam zůstal, ale odmítl znovu pracovat se Shockleym a trval na převedení do jiné skupiny.
Z důvodu neschopnosti spolupracovat s ostatními lidmi se Shockley nikdy neposunul vpřed v laboratořích, a proto z nich také odešel. V roce 1956 se vrátil domů do Palo Alta, aby založil vlastní společnost na výrobu tranzistorů, Shockley Semiconductor. Před odjezdem se rozvedl se svou ženou Jean, zatímco se léčila z rakoviny děložního hrdla, a začal vztah s Emmou Lenning, kterou si brzy vzal. Ale pouze jedna z dvou částí jeho kalifornského snu - nová společnost a nová manželka - se splnila. V roce 1957 jeho nejlepší inženýři, rozhněváni jeho stylem řízení a směrem, kterým vedl společnost, odešli a založili novou firmu, Fairchild Semiconductor.
Shockley v roce 1956
Takže Shockley opustil prázdnou schránku své společnosti a nastoupil na katedru elektrotechniky na Stanfordu. Tam nadále odcizoval své kolegy (a svého nejstaršího přítele, fyzika ) zajímavými teoriemi rasového úpadku a – tématy, která byla v USA nepopulární od konce poslední války, zejména v akademických kruzích. S potěšením vyvolával spory, zvyšoval tlak na média a vyvolával protesty. Zemřel v roce 1989, odcizený od svých dětí a kolegů, a navštěvován pouze svou věrnou druhou manželkou Emmou.
I když jeho zoufalé pokusy o podnikání selhaly, Shockley zasel semeno do úrodné půdy. Oblast zálivu San Francisco přivedla na svět řadu malých elektronických firem, které byly během války podpořeny federálními prostředky. Fairchild Semiconductor, náhodná odnož Shockleyho společnosti, zplodila desítky nových firem, z nichž několik je známých dodnes: Intel a Advanced Micro Devices (AMD). Na začátku 70. let si tato oblast vysloužila posměšnou přezdívku „Křemíková dolina“. Ale počkejte - vždyť Bardeen a Brattain vytvořili germaniový tranzistor. Odkud se vzal křemík?
Tak v roce 2009 vypadalo opuštěné místo v Mountain View, kde dříve sídlila Shockley Semiconductor. Dnes je budova zbořena.
Křemíkový křižovatka
Osud nového typu tranzistoru, který vymyslel Shockley v chicagském hotelu, byla mnohem šťastnější než osud jeho vynálezce. To vše díky touze jednoho člověka pěstovat čisté polovodičové krystaly. Gordon Tille, fyzikální chemik z Texasu, který studoval tehdy bezcenný germanium pro svou doktorandskou práci, v 30. letech nastoupil do laboratoře Bell. Když se dozvěděl o tranzistoru, byl přesvědčen, že jeho spolehlivost a výkon lze výrazně zlepšit tím, že ho vyrobí z čistého monokrystalu, nikoli z tehdy používaných polykrystalických směsí. Shockley jeho pokusy odmítl jako zbytečnou ztrátu zdrojů.
Tille však vytrval a dosáhl úspěchu, když s pomocí mechanického inženýra Johna Littlea vytvořil zařízení, které vyndavalo malý klíčový krystal z roztaveného germania. Jak se germanium ochlazovalo kolem klíče, rozšiřovalo jeho krystalickou strukturu, čímž vytvářelo souvislou a téměř čistou polovodičovou mřížku. Na jaře 1949 mohli Tille a Little vyrábět krystaly na zakázku a testy ukázaly, že nechávají daleko za sebou své polykrystalické konkurenty. Zejména přidané neprimární nosiče mohly přežít uvnitř sto mikrosekund nebo dokonce déle (oproti maximálně deseti mikrosekundám v dalších vzorcích krystalů).
Teď si Tille mohl dovolit více zdrojů a rozšířil svůj tým o více lidí, mezi nimiž byl další fyzikální chemik, který přišel do laboratoří Bell z Texasu – Morgan Sparks. Začali měnit taveninu pro výrobu germania typu p nebo n, přidáváním kuliček odpovídajících nečistot. O rok později zdokonalili technologii do takové míry, že mohli pěstovat germanový n-p-n sendvič přímo v tavenině. A fungoval přesně tak, jak předpověděl Shockley: elektrický signál materiálu typu p moduloval elektrický proud mezi dvěma vodiči připojenými k okolním kouskům typu n.
Morgan Sparks a Gordon Tille u pracovního stolu v laboratořích Bell
Tento tranzistor s vypěstovaným přechodem předčil svého předchůdce s jedním bodovým kontaktem téměř ve všech aspektech. Zejména se stal spolehlivějším a předvídatelnějším, vydával mnohem méně šumu (a tedy byl citlivější) a byl mimořádně energeticky efektivní – spotřebovával milionkrát méně energie než typická elektronová trubice. V červenci 1951 uspořádaly laboratoře Bell další tiskovou konferenci, aby vyhlásily nové vynález. Ještě předtím, než se první tranzistor dostal na trh, se v podstatě již stal nepodstatným.
A přesto to bylo teprve začátkem. V roce 1952 oznámila společnost General Electric (GE) vývoj nového procesu výroby tranzistorů s přechodem, slitinové metody. V rámci tohoto procesu byly dva kuličky india (donor p-typu) sloučeny z obou stran tenkého plátku germánia n-typu. Tento proces byl jednodušší a levnější než pěstování přechodů v slitině, takový tranzistor vykazoval menší odpor a podporoval vyšší frekvence.
Vypěstované a slitinové tranzistory
V následujícím roce se Gordon Teal rozhodl vrátit do svého rodného státu a nastoupil do Texas Instruments (TI) v Dallasu. Společnost byla založena pod názvem Geophysical Services, Inc. a na začátku vyráběla vybavení pro průzkum ropných ložisek, TI otevřela elektronické oddělení během války a nyní vstupovala na trh tranzistorů pod licencí od Western Electric (výrobního oddělení laboratoří Bell).
Teal přinesl sebou nové dovednosti získané v laboratořích: schopnost pěstovat a monokrystaly křemíku. Nejvíce zřejmou slabinou germánia byla jeho citlivost na teplotu. Po vystavení teplu rychle atomy germánia v krystalu ztrácely volné elektrony a stále více se měnily na vodiče. Při teplotě 77 °C přestával fungovat úplně jako tranzistor. Hlavním cílem prodeje tranzistorů byly ozbrojené síly – potenciální zákazník s nízkou citlivostí na cenu a obrovskou potřebou stabilních, spolehlivých a kompaktních elektronických komponentů. Nicméně, citlivé na teplotu germánium by v mnoha případech nebylo použitelné v armádních aplikacích, zejména v oblasti aerospace.
Křemík byl mnohem stabilnější, avšak vyžadoval mnohem vyšší teplotu tavení, srovnatelnou s teplotou tavení oceli. To způsobovalo obrovské potíže, vezmeme-li v úvahu, že pro výrobu vysoce kvalitních tranzistorů byly potřeba velmi čisté krystaly. Horký tavený křemík by nasával nečistoty z jakéhokoli kelímku, ve kterém se nacházel. Tille s týmem z TI se podařilo překonat tyto obtíže díky superčistým vzorkům křemíku od DuPont. V květnu 1954 na konferenci institutu rádiových inženýrů v Daytonu (Ohio) Tille demonstroval, že nová křemíková zařízení vyrobená v jeho laboratoři nadále fungovala, i když byla ponořena do horkého oleje.
Úspěšní nováčci
Nakonec, přibližně sedm let po prvním vynálezu tranzistoru, bylo možné jej vyrábět z materiálu, se kterým se stal synonymem. A po přibližně stejném čase se objeví tranzistory, které budou hrubě připomínat tu formu, která se používá v našich mikroprocesorech a paměťových čipech.
V roce 1955 vědci z Bellových laboratoří úspěšně ovládli výrobu křemíkových tranzistorů s novou technologií legování – místo toho, aby do tekuté taveniny přidávali pevné kuličky nečistot, implantovali plynové přísady do pevného povrchu polovodiče (). Pečlivě řízením teploty, tlaku a délky procedury dosáhli přesně požadované hloubky a stupně legování. Zesílení kontroly nad výrobním procesem vedlo k posílení kontroly nad elektrickými vlastnostmi konečného produktu. Co je důležité, termodisporze umožnila výrobu produktu po dávkách – bylo možné legovat velkou desku křemíku a poté ji rozřezat na tranzistory. Vojenské složky financovaly Bellovy laboratoře, protože organizace výroby vyžadovala vysoké počáteční náklady. Potřebovali nový produkt pro ultravysoce frekvenční linii raného radarového detekování («), na řetězci arktických radarových stanic určených k odhalování sovětských bombardérů přilétajících ze severního pólu, a byli ochotni zaplatit 100 $ za tranzistor (to byly časy, kdy nový automobil stál 2000 $).
Legování spolu s , která řídila umístění příměsí, otevřelo možnost vytrhávat celý obrys najednou na jednom polovodičovém substrátu – do tohoto konceptu současně přišli Fairchild Semiconductor a Texas Instruments v roce 1959. «» od Fairchild využívala chemické nanášení kovových filmů, které spojovaly elektrické kontakty tranzistoru. To eliminovalo potřebu manuálního propojování, snižovalo náklady na výrobu a zvyšovalo spolehlivost.
Nakonec, v roce 1960, dva inženýři z Bellových laboratoří (John Atalla a Devon Kahn) realizovali původní koncept Shockleyho tranzistoru s efektem pole. Tenký vrstva oxidu na povrchu polovodiče dokázala efektivně potlačit povrchové stavy, což umožnilo elektrickému poli z hliníkového brány pronikat dovnitř křemíku. Tak se zrodil MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (nebo MOF struktura, od metal-oxide-semiconductor), který se ukázal být tak snadno miniaturizovatelný a který se stále používá téměř ve všech moderních počítačích (je zajímavé, že Atalla byl z Egypta a Kahn z Jižní Koreje, a prakticky jen ti dva inženýři z celé naší historie nemají evropské kořeny).
Nakonec, třináct let po vynálezu prvního tranzistoru, se objevila věc, která připomínala tranzistor vašeho počítače. Bylo snazší ho vyrábět, používalo méně energie než plochý tranzistor, avšak pomalu reagovalo na signály. Teprve po rozšíření velkých integrovaných obvodů se stovkami nebo tisíci komponentů umístěných na jednom čipu se výhody tranzistorů s efektem pole dostaly do popředí.
Ilustrace z patentu na tranzistor s efektem pole
Polyfázový efekt se stal posledním významným příspěvkem laboratoří Bell do vývoje tranzistoru. Velcí výrobci elektroniky, jako jsou laboratoře Bell (s jejich Western Electric), General Electric, Sylvania a Westinghouse, vytvořili působivý objem výzkumu polovodičů. Od roku 1952 do 1965 zaregistrovaly pouze laboratoře Bell více než dvě stě patentů na toto téma. A přesto komerční trh rychle přešel do rukou nových hráčů, jako jsou Texas Instruments, Transitron a Fairchild.
Raný trh s tranzistory byl příliš malý na to, aby si ho všímali velcí hráči: asi 18 milionů dolarů ročně ve středním období 50. let, ve srovnání s celkovým objemem trhu s elektronikou ve výši 2 miliardy dolarů. Nicméně výzkumné laboratoře těchto gigantů sloužily jako neúmyslné tréninkové tábory, kde mladí vědci mohli vstřebávat znalosti o polovodičích, aby poté přešli k prodeji svých služeb méně velkým firmám. Když trh lampové elektroniky ve středních 60. letech začal vážně klesat, pro laboratoře Bell, Westinghouse a ostatní už bylo příliš pozdě, aby soutěžily s nováčky.
Přejití počítačů na tranzistory
V 50. letech tranzistory pronikly do světa elektroniky ve čtyřech nejvýznamnějších oblastech. Prvními dvěma byly sluchové pomůcky a přenosné rádia, kde nízká spotřeba energie a v důsledku toho dlouhá výdrž na baterii převážily ostatní úvahy. Třetím bylo vojenské využití. Americká armáda vkládala velké naděje do tranzistorů jakožto spolehlivých a kompaktních komponentů, které lze použít kdekoli, od polního rádia po balistické rakety. Nicméně zpočátku byly jejich výdaje na tranzistory spíše sázkou na budoucnost technologie než potvrzením jejich tehdejší hodnoty. A nakonec existovaly také digitální výpočty.
V oblasti počítačů byly nedostatky elektronkových přepínačů dobře známy a někteří skeptici před válkou dokonce tvrdili, že elektronický počítač se nepodaří udělat praktickým zařízením. Když se tisíce lamp shromáždily v jednom zařízení, požadovaly obrovské množství energie a vyzařovaly obrovské množství tepla, přičemž co se týče spolehlivosti, bylo možné se spolehnout pouze na jejich pravidelné vyhoření. Proto se tranzistor, který má nízkou spotřebu, je studený a nemá vlákno, stal zachráncem výrobců počítačů. Jeho nedostatky jako zesilovače (například hlučnější výstupní signál) nepředstavovaly příliš velký problém při použití jako přepínač. Jedinou překážkou byla cena, která v té době začala strmě klesat.
Všechny rané americké experimenty s tranzistorovými počítači probíhaly na rozhraní touhy vojáků prozkoumat potenciál slibné nové technologie a touhy inženýrů přejít na vylepšené přepínače.
V laboratořích Bell v roce 1954 postavili TRADIC pro americké letectvo, aby zjistili, zda tranzistory umožní instalovat digitální počítač na palubě bombardéru, čímž nahradí analogovou navigaci a pomoc při vyhledávání cílů. MIT a laboratoř Lincoln vyvinuly počítač TX-0 v roce 1956 v rámci rozsáhlého projektu protivzdušné obrany. Stroj používal další variantu tranzistoru, povrchově bariérový, který byl dobře přizpůsoben pro vysokorychlostní výpočty. Philco vyrobila svůj počítač SOLO na základě smlouvy s námořnictvem (ve skutečnosti však na žádost NSA), dokončujíc ho v roce 1958 (používajíc další variantu povrchově bariérového tranzistoru).
V západní Evropě, která v průběhu studené války neměla tolik zdrojů, byla historie zcela jiná. Takové stroje jako Manchester Transistor Computer, (další název inspirovaný projektem ENIAC a zašifrovaný napsáním pozpátku), a rakouský byly vedlejšími projekty, které využívaly zdroje, které si jejich tvůrci mohli obstarat – včetně prvních generací tranzistorů s jednopunktovým kontaktem.
Existuje mnoho diskuzí o tom, který počítač byl prvním, jenž použil tranzistory. Všechno samozřejmě závisí na správné definici takových slov, jako jsou "první", "tranzistorový" a "počítač". Každopádně je známo, kde příběh končí. Komercionalizace tranzistorových počítačů začala téměř okamžitě. Rok za rokem se počítače za stejnou cenu stávaly stále výkonnějšími a počítače se stejným výkonem stále levnějšími, a tento proces se zdál být natolik neúprosný, že byl povýšen na zákon, vedle gravitace a zachování energie. Potřebujeme se přít o to, který kámen se stal prvním v lavině?
Odkud pochází Mooreův zákon?
Když se blížíme ke konci příběhu přepínače, stojí za to položit otázku: co vedlo k vzniku této laviny? Proč Mooreův zákon existuje (nebo existoval – o tom se pobavíme jindy)? Pro letadla nebo vysavače neexistuje Mooreův zákon, stejně jako neexistuje pro elektronické lampy nebo relé.
Odpověď se skládá ze dvou částí:
- Logické vlastnosti přepínače jako kategorie artefaktu.
- Možnost využít čistě chemické procesy pro výrobu tranzistorů.
Nejprve o podstatě přepínače. Vlastnosti většiny artefaktů musí vyhovovat širokému spektru neúprosných fyzikálních omezení. Cestovní letadlo musí unést celkovou hmotnost mnoha lidí. Vysavač musí být schopen nasát určité množství špíny za určitou dobu na určité fyzické ploše. Letadla a vysavače budou k ničemu, pokud je zmenšíme na nanoskalový rozměr.
U přepínače – automatického přepínače, kterého se nikdy nedotkla ruka člověka – je fyzikálních omezení mnohem méně. Musí mít dva různé stavy a musí být schopen předávat ostatním takovým přepínačům změny jejich stavů. To znamená, že všechno, co musí umět, je zapínat se a vypínat. Co je tedy na tranzistorech tak zvláštního? Proč jiné typy digitálních přepínačů neprošly tak exponenciálními vylepšeními?
Zde se dostáváme k druhému faktu. Tranzistory lze vyrábět pomocí chemických procesů bez mechanického zásahu. Od samého začátku bylo klíčovým prvkem výroby tranzistorů použití chemických příměsí. Poté se objevil plochý proces, který odstranil poslední mechanický krok ve výrobě - připojení drátů. Výsledkem bylo zbavení se posledního fyzického omezení miniaturizace. Tranzistory již nemusely být dostatečně velké pro lidské prsty - nebo pro jakékoli mechanické zařízení. Vše obstarávala jednoduchá chemie na neuvěřitelně malém měřítku: kyselina pro leptání, světlo k řízení toho, které části povrchu odolají leptání, a páry pro implantaci příměsí a kovových filmů na vyleptané dráhy.
A proč je vůbec miniaturizace potřebná? Snížení velikosti mělo celou řadu příjemných vedlejších efektů: zvýšení rychlosti přepínání, snížení spotřeby energie a nákladů na jednotlivé kusy. Tyto silné podněty přiměly všechny k hledání způsobů dalšího zmenšení spínačů. A polovodičový průmysl během jedné generace přešel od výroby spínačů velikosti nehtu k balení desítek milionů spínačů na čtvereční milimetr. Od poptávky osmi dolarů za jeden spínač k nabídce dvaceti milionů spínačů za dolar.
Paměťový čip Intel 1103 z roku 1971. jednotlivé tranzistory, o velikosti pouhých desítek mikrometrů, již nejsou okem rozlišitelné. A od té doby se zmenšily ještě tisíckrát.
Co si ještě přečíst:
- Ernest Bruan a Stuart MacDonald, Revoluce v miniatuře (1978)
- Michael Riordan a Lillian Hoddeson, Krystalový oheň (1997)
- Joel Shurkin, Rozbitý génius (1997)
Zdroj: habr.com
