Další články ze série:
- Historie relé
- Historie elektronických počítačů
- Historie tranzistoru
- historie internetu
Již více než sto let vrtí analogový pes svým digitálním ocasem. Pokusy o rozšíření schopností našich smyslů – zraku, sluchu a dokonce v jistém smyslu i hmatu – vedly inženýry a vědce k hledání lepších komponentů pro telegrafy, telefony, rádia a radary. Bylo to jen čiré štěstí, že toto hledání objevilo cestu k vytvoření nových typů digitálních strojů. A rozhodl jsem se vyprávět příběh této konstanty , během níž telekomunikační inženýři dodávali suroviny pro první digitální počítače a někdy tyto počítače sami navrhli a postavili.
Ale v 1960. letech tato plodná spolupráce skončila a s ní i můj příběh. Výrobci digitálních zařízení již nemuseli hledat nové, vylepšené spínače ve světě telegrafu, telefonu a rádia, protože samotný tranzistor představoval nevyčerpatelný zdroj vylepšení. Rok co rok kopali hlouběji a hlouběji a vždy našli způsoby, jak exponenciálně zvýšit rychlost a snížit náklady.
Nic z toho by se však nestalo, kdyby se vynález tranzistoru zastavil u .
Pomalý start
V populárním tisku nebylo nadšení pro oznámení Bellových laboratoří o vynálezu tranzistoru. 1. července 1948 věnovaly The New York Times této události tři odstavce na konci své zprávy Radio News. Navíc se tato zpráva objevila po jiných, zjevně považovaných za důležitější: například po hodinovém rozhlasovém pořadu „Waltz Time“, který se měl objevit na NBC. S odstupem času se nám možná bude chtít smát, nebo dokonce nadávat neznámým autorům – jak to, že nedokázali rozpoznat událost, která obrátila svět vzhůru nohama?
Ale zpětný pohled zkresluje vnímání a zesiluje signály, jejichž význam, jak víme, se v té době ztratil v moři hluku. Tranzistor z roku 1948 byl velmi odlišný od tranzistorů počítačů, na kterých čtete tento článek (pokud jste se jej nerozhodli vytisknout). Lišily se natolik, že navzdory stejnému jménu a nepřerušené linii dědičnosti, která je spojuje, by měly být považovány za různé druhy, ne-li za různé rody. Mají různé složení, různé struktury, různé principy fungování, nemluvě o obrovském rozdílu ve velikosti. Nemotorné zařízení zkonstruované Bardeenem a Brattainem mohlo změnit svět a naše životy jen díky neustálým přetvářením.
Jednobodový germaniový tranzistor si ve skutečnosti nezasloužil větší pozornost, než se mu dostalo. Měl několik defektů zděděných od elektronky. Byl samozřejmě mnohem menší než nejkompaktnější lampy. Nepřítomnost horkého vlákna znamenala, že produkovalo méně tepla, spotřebovávalo méně energie, nevyhořelo a nevyžadovalo zahřívání před použitím.
Hromadění nečistot na kontaktní ploše však vedlo k poruchám a negovalo potenciál pro delší životnost; dávalo to hlučnější signál; pracoval pouze při nízkých výkonech a v úzkém frekvenčním rozsahu; selhalo v přítomnosti tepla, chladu nebo vlhkosti; a nemohlo být vyrobeno jednotně. Několik tranzistorů vytvořených stejným způsobem stejnými lidmi by mělo velmi odlišné elektrické vlastnosti. A to vše stálo osmkrát vyšší než standardní lampa.
Až v roce 1952 Bell Labs (a další držitelé patentů) vyřešili výrobní problémy natolik, aby se jednobodové tranzistory staly praktickými zařízeními, a ani poté se příliš nerozšířily mimo trh se sluchadly, kde byla cenová citlivost relativně nízká. a výhody z hlediska výdrže baterie převážily nad nevýhodami.
Poté však již začaly první pokusy proměnit tranzistor v něco lepšího a užitečnějšího. Začaly vlastně mnohem dříve, než ve chvíli, kdy se o jeho existenci dozvěděla veřejnost.
Shockleyho ambice
Ke konci roku 1947 podnikl Bill Shockley ve velkém vzrušení výlet do Chicaga. Měl nejasné představy o tom, jak porazit nedávno vynalezený tranzistor Bardeena a Brattaina, ale ještě neměl příležitost je vyvinout. A tak místo toho, aby si užíval pauzu mezi jednotlivými fázemi práce, strávil Vánoce a Nový rok v hotelu a svými nápady zaplnil asi 20 stránek sešitu. Mezi nimi byl i návrh nového tranzistoru sestávajícího z polovodičového sendviče - plátku germania typu p mezi dvěma kusy typu n.
Shockley, povzbuzen tímto esem v rukávu, vznesl nárok na Bardeena a Brattaina, aby se vrátili na Murray Hill, a připsal si veškeré zásluhy za vynález tranzistoru. Nebyla to jeho myšlenka na efekt pole, která dostala Bardeena a Brattaina do laboratoře? Nemělo by proto být nutné převést na něj všechna práva k patentu? Shockleyho trik však selhal: patentoví právníci Bell Labs zjistili, že neznámý vynálezce, , patentoval polovodičový zesilovač s efektem pole téměř o 20 let dříve, v roce 1930. Lilienfeld samozřejmě svůj nápad nikdy nerealizoval, vzhledem ke stavu materiálů v té době, ale riziko překrytí bylo příliš velké - bylo lepší se zmínce úplně vyhnout efekt pole v patentu.
Ačkoli tedy Bell Labs poskytly Shockleymu štědrý podíl na vynálezcově zásluh, v patentu jmenovaly pouze Bardeena a Brattaina. Co se však stalo, nelze vrátit zpět: Shockleyho ambice zničily jeho vztah se dvěma podřízenými. Bardeen přestal pracovat na tranzistoru a soustředil se na supravodivost. Laboratoře opustil v roce 1951. Brattain tam zůstal, ale odmítl znovu spolupracovat se Shockleym a trval na převedení do jiné skupiny.
Shockley kvůli své neschopnosti pracovat s jinými lidmi nikdy v laboratořích nepokročil, a tak tam také odešel. V roce 1956 se vrátil domů do Palo Alto, aby založil vlastní tranzistorovou společnost Shockley Semiconductor. Před odjezdem se oddělil od své manželky Jean, když se zotavovala z rakoviny dělohy, a zapletl se s Emmy Lanning, kterou si brzy vzal. Ale ze dvou polovin jeho kalifornského snu – nové společnosti a nové manželky – se mu splnila jen jedna. V roce 1957 ho jeho nejlepší inženýři, naštvaní jeho stylem řízení a směrem, kterým společnost ubíral, opustili, aby založil novou společnost Fairchild Semiconductor.
Shockley v roce 1956
Shockley tedy opustil prázdnou schránku své společnosti a přijal práci v oddělení elektrotechniky ve Stanfordu. Tam pokračoval v odcizování svých kolegů (a svého nejstaršího přítele, fyzika ) teorie rasové degenerace, které ho zajímaly a – témata, která jsou ve Spojených státech od konce minulé války nepopulární, zejména v akademických kruzích. S potěšením rozdmýchával kontroverze, burcoval média a vyvolával protesty. Zemřel v roce 1989, odcizen od svých dětí a kolegů a navštěvovala ho pouze jeho vždy oddaná druhá manželka Emmy.
Ačkoli jeho chabé pokusy o podnikání selhaly, Shockley zasadil semínko do úrodné půdy. Oblast San Francisco Bay Area produkovala mnoho malých elektronických firem, které byly během války zaplaveny finančními prostředky od federální vlády. Fairchild Semiconductor, Shockleyho náhodný potomek, dal vzniknout desítkám nových společností, z nichž několik je známo dodnes: Intel a Advanced Micro Devices (AMD). Na začátku 1970. let si tato oblast vysloužila posměšnou přezdívku „Silicon Valley“. Ale počkejte - Bardeen a Brattain vytvořili germaniový tranzistor. Kde se vzal křemík?
Tak vypadal v roce 2009 opuštěný areál Mountain View, kde dříve sídlil Shockley Semiconductor. Dnes je budova zbourána.
Směrem ke Silicon Crossroads
Osud nového typu tranzistoru, který vynalezl Shockley v hotelu v Chicagu, byl mnohem šťastnější než osud jeho vynálezce. Je to všechno díky touze jednoho muže pěstovat jednotlivé čisté polovodičové krystaly. Gordon Teal, fyzikální chemik z Texasu, který studoval tehdy zbytečné germanium pro svůj doktorát, přijal práci v Bellových laboratořích ve 30. letech XNUMX. století. Poté, co se dozvěděl o tranzistoru, nabyl přesvědčení, že jeho spolehlivost a výkon lze výrazně zlepšit jeho vytvořením z čistého monokrystalu, spíše než z polykrystalických směsí, které se tehdy používaly. Shockley odmítl jeho úsilí jako plýtvání zdroji.
Teal však vytrval a dosáhl úspěchu s pomocí mechanického inženýra Johna Littlea, když vytvořil zařízení, které extrahuje drobné krystalové semeno z roztaveného germania. Jak se germanium ochlazovalo kolem jádra, rozšířilo svou krystalovou strukturu a vytvořilo souvislou a téměř čistou polovodivou mřížku. Na jaře 1949 mohli Teal a Little vytvářet krystaly na zakázku a testy ukázaly, že jsou daleko za svými polykrystalickými konkurenty. Zejména menší transportéry, které k nim byly přidány, mohly uvnitř přežít sto mikrosekund nebo dokonce déle (oproti ne více než deset mikrosekund u jiných vzorků krystalů).
Nyní si Teal mohl dovolit více zdrojů a naverboval do svého týmu více lidí, mezi nimiž byl další fyzikální chemik, který přišel do Bellových laboratoří z Texasu – Morgan Sparks. Začali upravovat taveninu, aby vytvořili germanium typu p nebo n přidáním kuliček vhodných nečistot. Za rok technologii zdokonalili natolik, že mohli přímo v tavenině pěstovat germaniový npn sendvič. A fungovalo to přesně tak, jak Shockley předpovídal: elektrický signál z materiálu typu p moduloval elektrický proud mezi dvěma vodiči spojenými s kusy typu n, které jej obklopovaly.
Morgan Sparks a Gordon Teal na pracovním stole v Bellových laboratořích
Tento vyspělý přechodový tranzistor překonává svého předchůdce s jednobodovým kontaktem téměř ve všech směrech. Zejména byl spolehlivější a předvídatelnější, produkoval mnohem méně hluku (a proto byl citlivější) a byl extrémně energeticky účinný – spotřeboval milionkrát méně energie než typická elektronka. V červenci 1951 uspořádaly Bell Labs další tiskovou konferenci, aby oznámily nový vynález. Ještě než se první tranzistor stihl dostat na trh, stal se v podstatě irelevantním.
A přesto to byl jen začátek. V roce 1952 oznámila společnost General Electric (GE) vývoj nového procesu výroby přechodových tranzistorů, metodou fúze. V jeho rámci byly na obou stranách tenkého plátku germania typu n spojeny dvě kuličky india (dárce typu p). Tento proces byl jednodušší a levnější než pěstování přechodů ve slitině; takový tranzistor dával menší odpor a podporoval vyšší frekvence.
Narostlé a tavené tranzistory
Následující rok se Gordon Teal rozhodl vrátit do svého rodného státu a přijal práci u Texas Instruments (TI) v Dallasu. Společnost byla založena jako Geophysical Services, Inc. a zpočátku vyráběla zařízení pro průzkum ropy, TI otevřela během války divizi elektroniky a nyní vstupuje na trh tranzistorů na základě licence od Western Electric (výrobní divize Bell Labs).
Teal s sebou přinesl nové dovednosti získané v laboratořích: schopnost růst a křemíkové monokrystaly. Nejviditelnější slabinou germania byla jeho citlivost na teplotu. Při vystavení teplu atomy germania v krystalu rychle uvolňují volné elektrony a ten se stále více mění ve vodič. Při teplotě 77 °C přestal fungovat úplně jako tranzistor. Hlavním cílem prodeje tranzistorů byla armáda – potenciální spotřebitel s nízkou cenovou citlivostí a obrovskou potřebou stabilních, spolehlivých a kompaktních elektronických součástek. Germanium citlivé na teplotu by však nebylo užitečné v mnoha vojenských aplikacích, zejména v oblasti letectví a kosmonautiky.
Křemík byl mnohem stabilnější, ale přišel za cenu mnohem vyššího bodu tání, srovnatelného s ocelí. To způsobilo obrovské potíže, vzhledem k tomu, že k vytvoření vysoce kvalitních tranzistorů byly vyžadovány velmi čisté krystaly. Horký roztavený křemík by absorboval nečistoty z jakéhokoli kelímku, ve kterém by byl. Teal a jeho tým v TI dokázali tyto problémy překonat pomocí vzorků ultračistého křemíku od společnosti DuPont. V květnu 1954 na konferenci Institute of Radio Engineering v Daytonu ve státě Ohio Teal prokázal, že nová křemíková zařízení vyrobená v jeho laboratoři nadále fungují, i když byla ponořena do horkého oleje.
Úspěšní začátečníci
Konečně, asi sedm let poté, co byl tranzistor poprvé vynalezen, mohl být vyroben z materiálu, se kterým se stal synonymem. A přibližně stejně dlouho uplyne, než se objeví tranzistory, které zhruba připomínají tvar používaný v našich mikroprocesorech a paměťových čipech.
V roce 1955 se vědci z Bell Labs úspěšně naučili vyrábět křemíkové tranzistory pomocí nové dopingové technologie – místo přidávání pevných kuliček nečistot do tekuté taveniny zaváděli do pevného povrchu polovodiče plynné přísady (). Pečlivým řízením teploty, tlaku a trvání procedury dosáhli přesně požadované hloubky a stupně dopingu. Větší kontrola nad výrobním procesem dala větší kontrolu nad elektrickými vlastnostmi konečného produktu. Ještě důležitější je, že tepelná difúze umožnila vyrábět produkt v dávkách – mohli jste dopovat velkou desku křemíku a pak ji rozřezat na tranzistory. Armáda poskytla finanční prostředky pro Bell Laboratories, protože nastavení výroby vyžadovalo vysoké počáteční náklady. Potřebovali nový produkt pro ultravysokofrekvenční radarové spojení včasného varování (““), řetězec arktických radarových stanic určených k detekci sovětských bombardérů létajících ze severního pólu, a byli ochotni zaplatit 100 dolarů za tranzistor (to byly dny, kdy se nové auto dalo koupit za 2000 XNUMX dolarů).
Legování s , která řídila umístění nečistot, otevřela možnost vyleptat celý obvod zcela na jednom polovodičovém substrátu - to bylo současně myšleno společnostmi Fairchild Semiconductor a Texas Instruments v roce 1959.“ od Fairchilda použil chemické nanášení kovových filmů spojujících elektrické kontakty tranzistoru. Eliminovala nutnost vytvářet ruční kabeláž, snížila výrobní náklady a zvýšila spolehlivost.
Nakonec v roce 1960 dva inženýři Bell Labs (John Atalla a Davon Kahn) implementovali původní Shockleyho koncept tranzistoru s efektem pole. Tenká vrstva oxidu na povrchu polovodiče dokázala účinně potlačit povrchové stavy, což způsobilo, že elektrické pole z hliníkové brány proniklo do křemíku. Tak se zrodil MOSFET [metal-oxidový polovodičový tranzistor s efektem pole] (neboli struktura MOS, z metal-oxid-semiconductor), který se tak snadno miniaturizoval a který se dodnes používá téměř ve všech moderních počítačích (zajímavé Atalla pochází z Egypta a Kang z Jižní Koreje a prakticky jen tito dva inženýři z celé naší historie nemají evropské kořeny).
Konečně, třináct let po vynálezu prvního tranzistoru, se objevilo něco, co se podobalo tranzistoru ve vašem počítači. To bylo jednodušší na výrobu a spotřeboval méně energie než přechodový tranzistor, ale byl docela pomalý reagovat na signály. Teprve s rozšířením rozsáhlých integrovaných obvodů se stovkami či tisíci součástek umístěnými na jediném čipu vystoupily výhody tranzistorů s efektem pole do popředí.
Ilustrace z patentu tranzistoru s efektem pole
Efekt pole byl posledním velkým příspěvkem Bellových laboratoří k vývoji tranzistoru. Velcí výrobci elektroniky jako Bell Laboratories (se svými Western Electric), General Electric, Sylvania a Westinghouse nashromáždili působivé množství výzkumu polovodičů. Jen v Bellových laboratořích bylo v letech 1952 až 1965 zaregistrováno více než dvě stě patentů na toto téma. Přesto se komerční trh rychle dostal do rukou nových hráčů, jako jsou Texas Instruments, Transitron a Fairchild.
Trh raných tranzistorů byl příliš malý na to, aby upoutal pozornost hlavních hráčů: v polovině 18. let kolem 1950 milionů dolarů ročně ve srovnání s celkovým trhem s elektronikou 2 miliardy dolarů. Výzkumné laboratoře těchto gigantů však sloužily jako neúmyslné výcvikové tábory. kde by mladí vědci mohli absorbovat znalosti o polovodičích, než přejdou k prodeji svých služeb menším firmám. Když se trh elektronkové elektroniky v polovině 1960. let začal vážně zmenšovat, bylo příliš pozdě na to, aby Bell Labs, Westinghouse a ostatní soutěžili s nováčky.
Přechod počítačů na tranzistory
V 1950. letech XNUMX. století pronikly tranzistory do světa elektroniky ve čtyřech hlavních oblastech. Prvními dvěma byla sluchadla a přenosná rádia, kde nízká spotřeba energie az toho vyplývající dlouhá životnost baterie převyšovala ostatní úvahy. Třetí bylo vojenské použití. Americká armáda vkládala velké naděje do tranzistorů jako spolehlivých, kompaktních součástek, které by mohly být použity ve všem, od polních rádií po balistické střely. Jejich výdaje za tranzistory však v prvních dnech vypadaly spíše jako sázka na budoucnost technologie než jako potvrzení jejich tehdejší hodnoty. A konečně došlo i na digitální výpočetní techniku.
V počítačové oblasti byly nedostatky elektronkových spínačů dobře známy, někteří skeptici před válkou dokonce věřili, že z elektronického počítače nelze udělat praktické zařízení. Když byly tisíce lamp shromážděny v jednom zařízení, sežraly elektřinu, produkovaly obrovské množství tepla a z hlediska spolehlivosti se člověk mohl spolehnout pouze na jejich pravidelné vyhoření. Proto se nízkopříkonový, chladný a bezzávitový tranzistor stal zachráncem výrobců počítačů. Jeho nevýhody jako zesilovače (např. hlučnější výstup) nebyly při použití jako vypínač až takový problém. Jedinou překážkou byly náklady, které časem začaly prudce klesat.
Všechny rané americké experimenty s tranzistorovými počítači se odehrály na průsečíku touhy armády prozkoumat potenciál slibné nové technologie a touhy inženýrů přejít na vylepšené přepínače.
Bell Labs postavil TRADIC pro americké letectvo v roce 1954, aby zjistil, zda tranzistory umožní instalaci digitálního počítače na palubu bombardéru, který nahradí analogovou navigaci a pomůže při hledání cílů. Laboratoř MIT Lincoln Laboratory vyvinula počítač TX-0 jako součást rozsáhlého projektu protivzdušné obrany v roce 1956. Stroj používal jinou variantu tranzistoru s povrchovou bariérou, který se dobře hodí pro vysokorychlostní výpočty. Philco postavil svůj počítač SOLO na základě smlouvy s námořnictvem (ale vlastně na žádost NSA) a dokončil jej v roce 1958 (s použitím jiné varianty tranzistoru s povrchovou bariérou).
V západní Evropě, která byla během studené války méně obdařena zdroji, byl příběh velmi odlišný. Stroje jako Manchester Transistor Computer, (jiný název inspirovaný projektem ENIAC a hláskovaný pozpátku) a rakouský byly vedlejší projekty, které využívaly zdroje, které jejich tvůrci mohli dát dohromady – včetně jednobodových tranzistorů první generace.
O názvu prvního počítače používajícího tranzistory se vedou velké spory. Vše samozřejmě spočívá ve výběru správných definic pro slova jako „první“, „tranzistor“ a „počítač“. Každopádně víme, kde příběh končí. Komercializace tranzistorových počítačů začala téměř okamžitě. Rok od roku byly počítače za stejnou cenu stále výkonnější a počítače stejného výkonu zlevňovaly a tento proces se zdál tak neúprosný, že byl povýšen na úroveň zákona vedle gravitace a zachování energie. Musíme se hádat o tom, který oblázek se zhroutil jako první?
Odkud pochází Moorův zákon?
Když se blíží konec příběhu přepínače, stojí za to se ptát: co způsobilo tento kolaps? Proč Moorův zákon existuje (nebo existoval – o tom se popereme jindy)? Pro letadla nebo vysavače neexistuje žádný Moorův zákon, stejně jako neexistuje žádný pro elektronky nebo relé.
Odpověď má dvě části:
- Logické vlastnosti přepínače jako kategorie artefaktů.
- Schopnost používat k výrobě tranzistorů čistě chemické procesy.
Nejprve o podstatě přepínače. Vlastnosti většiny artefaktů musí splňovat širokou škálu neúprosných fyzických omezení. Letadlo pro cestující musí unést kombinovanou hmotnost mnoha lidí. Vysavač musí být schopen vysát určité množství nečistot za určitý čas z určité fyzické oblasti. Letadla a vysavače by byly k ničemu, kdyby se zredukovaly na nanoměřítko.
Spínač, automatický spínač, kterého se lidská ruka nikdy nedotkla, má mnohem méně fyzických omezení. Musí mít dva různé stavy a musí být schopen komunikovat s jinými podobnými přepínači, když se jejich stavy změní. To znamená, že vše, co by měl umět, je zapnout a vypnout. Co je na tranzistorech tak zvláštního? Proč jiné typy digitálních přepínačů nezaznamenaly tak exponenciální vylepšení?
Zde se dostáváme k druhé skutečnosti. Tranzistory lze vyrobit chemickými procesy bez mechanického zásahu. Od samého počátku bylo klíčovým prvkem výroby tranzistorů použití chemických nečistot. Pak přišel planární proces, který z výroby vyřadil poslední mechanický krok – připojování drátů. Díky tomu se zbavil posledního fyzického omezení miniaturizace. Tranzistory již nemusely být dostatečně velké pro lidské prsty – nebo jakékoli mechanické zařízení. Všechno to bylo provedeno jednoduchou chemií v nepředstavitelně malém měřítku: kyselina k leptání, světlo, které řídilo, které části povrchu odolávají leptání, a pára, která do leptaných stop vnesla nečistoty a kovové filmy.
Proč je miniaturizace vůbec nutná? Zmenšení velikosti přineslo celou plejádu příjemných vedlejších efektů: zvýšení rychlosti přepínání, snížení spotřeby energie a nákladů na jednotlivé kopie. Tyto silné pobídky vedly každého k hledání způsobů, jak dále omezit počet přepínačů. A polovodičový průmysl přešel od výroby spínačů o velikosti nehtu k balení desítek milionů spínačů na čtvereční milimetr za život jednoho člověka. Od požadavku osmi dolarů za jeden přepínač až po nabízení dvaceti milionů přepínačů za jeden dolar.
Paměťový čip Intel 1103 z roku 1971. Jednotlivé tranzistory o velikosti pouhých desítek mikrometrů již nejsou okem viditelné. A od té doby se snížily ještě tisíckrát.
Co ještě číst:
- Ernest Bruan a Stuart MacDonald, Revoluce v miniaturách (1978)
- Michael Riordan a Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Zdroj: www.habr.com