Andre artikler i cyklen:
- Historien om relæet
- Historien om elektroniske computere
- Historien om transistoren
- Internettets historie
I mere end hundrede år har den analoge hund viftet med sin digitale hale. Forsøg på at udvide vores sanser – syn, hørelse, og endda, i en vis forstand, berøring – har ført ingeniører og videnskabsfolk på jagt efter bedre komponenter til telegrafen, telefonen, radioen og radarer. Kun ved en lykkelig tilfældighed opdagede disse søgninger vejen til skabelsen af nye typer digitale maskiner. Og jeg har besluttet mig for at fortælle historien om denne konstante , hvor ingeniører inden for elektroteknik leverede de grundlæggende materialer til de første digitale computere, og nogle gange endda selv designede og byggede disse computere.
Men i 1960'erne sluttede dette frugtbare samarbejde, og dermed sluttede også min historie. Producenterne af digitalt udstyr havde ikke længere brug for at kigge ind i telegrafer, telefoner og radioer for at finde nye, forbedrede kontakter, da selve transistoren havde givet en uendelig kilde til forbedringer. År efter år gravede de dybere og dybere, altid med nye måder at eksponentielt øge hastigheden og sænke omkostningerne.
Men intet af dette ville være sket, hvis opfindelsen af transistoren var stoppet ved .
Langsom start
Der var ikke meget begejstring i populærpressen, da Bell Labs offentliggjorde opfindelsen af transistoren. Den 1. juli 1948 blev denne begivenhed nævnt i tre afsnit i bunden af nyhedsoversigten "Radio Nyheder" i The New York Times. Og denne nyhed kom efter andre, der åbenbart blev anset for vigtigere: for eksempel et time langt radioprogram "Valse Tiden", der skulle sendes på NBC. I bakspejlet vil vi måske grine eller endda kritisere de ukendte forfattere – hvordan kunne de ikke genkende et verdensændrende event?
Men at kigge tilbage i fortiden forvrænger vores opfattelse, idet det forstærker de signaler, hvis betydning vi kender, selvom de dengang blev druknet i et hav af støj. Transistoren fra 1948 adskilte sig markant fra de transistorer, der findes i de computere, du læser denne artikel på (medmindre du har besluttet at udskrive den). De adskilte sig så meget, at, på trods af det samme navn og en sammenhængende arv, de bør betragtes som forskellige slags, hvis ikke forskellige arter. De har forskellige sammensætninger, forskellige strukturer, forskellige funktionsprincipper, for ikke at nævne den enorme forskel i størrelse. Kun på grund af konstante genopfindelser kunne den klodsede enhed, der blev skabt af Bardin og Brattain, transformere verden og vores liv.
Faktisk fortjente germanium-transistoren med én kontaktpunkt ikke mere opmærksomhed end den fik. Den havde flere defekter, som var arvet fra elektronlampen. Den var selvfølgelig meget mindre end de mest kompakte lamper. Fraværet af en glødetråd betød, at den producerede mindre varme, brugte mindre energi, ikke brændte ud og ikke krævede opvarmning før brug.
Men ansamlingen af snavs på kontaktfladen førte til fejl og underminerede potentialet for en længere levetid; den gav et mere støjende signal; fungerede kun ved lave effekter og i et smalt frekvensområde; svigtede under varme, kulde eller fugtighed; og kunne ikke produceres ensartet. Flere transistorer, der blev lavet på samme måde af de samme mennesker, havde skammeligt forskellige elektriske egenskaber. Og alt dette kom med en pris, der var otte gange højere end en standardlampe.
Først i 1952 løste Bell Labs (og andre patentindehavere) produktionsproblemerne tilstrækkeligt til, at transistorene med én kontaktpunkt blev praktiske enheder, og selv da blev de ikke særlig udbredte uden for høreapparatsmarkedet, hvor prisfølsomheden var relativt lav, og fordelene ved batterilevetid opvejede ulemperne.
Men der havde allerede været de første forsøg på at forvandle transistoren til noget bedre og mere nyttigt. De startede egentlig meget tidligere end det øjeblik, hvor offentligheden blev bekendt med dens eksistens.
Shockleys ambitioner
Ved slutningen af 1947 var Bill Shockley meget ophidset og foretog en rejse til Chicago. Han havde vage ideer om, hvordan han kunne overgå den nyligt opfundne transistor af Bardeen og Brattain, men han havde endnu ikke haft mulighed for at udvikle dem. Derfor, i stedet for at nyde pausen mellem arbejdsfaser, tilbragte han julen og nytåret på et hotel, hvor han fyldte omkring 20 sider i sin notesbog med sine ideer. Blandt dem var der et forslag til en ny transistor bestående af en halvleder sandwich – en skive af p-type germanium mellem to stykker af n-type.
Opmuntrer af at have et sådant es i ærmet, klagede Shockley over Bardeen og Brattains tilbagevenden til Murray Hill og krævede al æren for opfindelsen af transistoren. Var det ikke hans idé om felteffekten, der fik Bardeen og Brattain til at sidde i laboratoriet? Bør alle patentrettigheder så ikke overføres til ham? Men Shockleys tricks kom til at koste ham: patentadvokaterne fra Bell Laboratories fandt ud af, at en ukendt opfinder, , havde patenteret en halvlederforstærker baseret på felteffekten næsten 20 år tidligere, i 1930. Lilienfeld fik selvfølgelig aldrig realiseret sin idé, givet tilstandene for materialerne på det tidspunkt, men risikoen for overlap var for stor – det var bedre at helt undgå at nævne felteffekten i patentet.
Så selvom Bell Laboratories gav Shockley en generøs andel af æren som opfinder, nævnte de kun Bardeen og Brattain i patentet. Men noget der er gjort, kan ikke gøres om: Shockleys ambitioner ødelagde hans forhold til de to underordnede. Bardeen stoppede med at arbejde på transistoren og fokuserede på superledning. Han forlod laboratorierne i 1951. Brattain blev der, men nægtede at arbejde sammen med Shockley igen og insisterede på en overførsel til en anden gruppe.
På grund af sin manglende evne til at samarbejde med andre kom Shockley aldrig videre i laboratorierne, derfor forlod han også stedet. I 1956 vendte han hjem til Palo Alto for at starte sit eget selskab, Shockley Semiconductor. Inden han rejste, blev han skilt fra sin kone Jean, mens hun kom sig efter en livmoderkræft, og han indgik et forhold med Emmy Lenning, som han snart giftede sig med. Men ud af de to halvdele af sin californiske drøm – det nye firma og den nye kone – blev kun én opfyldt. I 1957 forlod hans bedste ingeniører ham, vrede over hans ledelsesstil og den retning, han førte sin virksomhed, for at starte et nyt firma, Fairchild Semiconductor.
Shockley i 1956
Så Shockley forlod det tomme skall af sit firma og fik ansættelse i elektroingeniørafdelingen på Stanford. Der fortsatte han med at afstande sig fra sine kolleger (og sin ældste ven, fysikeren ) med sine interessante teorier om racemæssig degeneration og – emner, der har været upopulære i USA siden afslutningen på den seneste krig, især i akademiske kredse. Han fandt glæde i at skabe kontroverser, provokere medierne og fremkalde protester. Han døde i 1989, fjernt fra børn og kolleger, kun besøgt af sin evigt hengivne anden kone, Emmy.
Selvom hans ynkelige forsøg i virksomhedskapitalismen fejlede, så plantede Shockley frø i frugtbar jord. San Francisco-bugten producerede mange små elektronikfirmaer, som blev støttet med finansiering fra den føderale regering under krigen. Fairchild Semiconductor, en tilfældig aflægger af Shockley, gav ophav til dusinvis af nye firmaer, hvoraf et par er kendte den dag i dag: Intel og Advanced Micro Devices (AMD). Inden begyndelsen af 1970'erne havde området fået det sarkastiske kaldenavn "Silicon Valley". Men vent nu – hvordan blev germaniumtransistoren skabt af Bardin og Brettein? Hvor kom silicium fra?
Sådan så det forladte sted i Mountain View ud i 2009, hvor Shockley Semiconductor engang lå. I dag er bygningen revet ned.
Til den silikone krydsvej
Schicksal des neuen Transistors, den Shockley in einem Hotel in Chicago erfand, war viel glücklicher als das seines Erfinders. Alles dank des Strebens eines Mannes, reine Halbleiterkristalle zu züchten. Gordon Teal, ein physikalischer Chemiker aus Texas, der damals das nutzlose Germanium für seine Doktorarbeit untersuchte, trat in den 30er Jahren in das Bell-Labor ein. Als er von dem Transistor erfuhr, war er überzeugt, dass dessen Zuverlässigkeit und Leistung erheblich verbessert werden könnten, indem man ihn aus reinem Monokristall und nicht aus den damals verwendeten polykristallinen Mischungen herstellte. Shockley wies seine Versuche zurück und hielt sie für eine sinnlose Verschwendung von Ressourcen.
Aber Teal gab nicht auf und hatte Erfolg, indem er zusammen mit dem Ingenieur John Little ein Gerät entwickelte, das einen winzigen Kristallkeim aus geschmolzenem Germanium zog. Beim Abkühlen um den Keim herum erweiterte Germanium dessen kristalline Struktur und erzeugte ein kontinuierliches und nahezu reines halbleitendes Gitter. Bis zum Frühjahr 1949 konnten Teal und Little Kristalle auf Bestellung herstellen, und die Tests zeigten, dass sie ihre polykristallinen Konkurrenten weit hinter sich ließen. Insbesondere konnten die hinzugefügten nichtgrundlegenden Träger eine Aufenthalt von Hunderten von Mikrosekunden oder sogar länger überleben (im Vergleich zu nicht mehr als zehn Mikrosekunden in anderen Kristallproben).
Jetzt konnte Teal sich mehr Ressourcen leisten und stellte mehr Menschen ein, unter denen ein weiterer physikalischer Chemiker war, der aus Texas in die Bell-Labors kam - Morgan Sparks. Sie begannen, die Schmelze zur Herstellung von p-Typ- oder n-Typ-Germanium zu ändern, indem sie entsprechende Dotierungspartikel hinzufügten. Ein Jahr später hatten sie die Technologie so weit verfeinert, dass sie einen n-p-n-Germanium-Sandwich direkt in der Schmelze züchten konnten. Und es funktionierte genau so, wie Shockley vorhergesagt hatte: Das elektrische Signal des p-Typs modulierte den elektrischen Strom zwischen zwei Leitern, die mit den umgebenden n-Typ-Stücken verbunden waren.
Morgan Sparks und Gordon Teal an der Werkbank in den Bell-Laboren
Denne transistor med en vokset overgang overgik sin forgænger med en enkelt punktkontakt næsten på alle områder. Især blev den mere pålidelig og forudsigelig, producerede langt mindre støj (og var dermed mere sensitiv), og ekstremt energieffektiv – den brugte en million gange mindre energi end en typisk elektronrør. I juli 1951 afholdt Bell Laboratories endnu en pressekonference for at annoncere den nye opfindelse. Inden den første transistor kunne komme på markedet, var den i praksis allerede blevet uvæsentlig.
Og alligevel var dette kun begyndelsen. I 1952 annoncerede General Electric (GE) udviklingen af en ny proces til fremstilling af transistorer med overgang, en legeringsmetode. I denne metode blev to kugler indium (donor p-type) smeltet sammen fra hver side af en tynd skive af germanium n-type. Denne proces var enklere og billigere end at dyrke overgange i legeringen, og denne transistor gav mindre modstand og understøttede højere frekvenser.
Dyrkede og legerede transistorer
Året efter besluttede Gordon Teal at vende tilbage til sin hjemstat og fik job hos Texas Instruments (TI) i Dallas. Virksomheden blev grundlagt under navnet Geophysical Services, Inc. og producerede oprindeligt udstyr til efterforskning af oliefelter. TI åbnede en elektronikafdeling under krigen og gik nu ind på markedet for transistorer med licens fra Western Electric (produktionsafdeling af Bell Laboratories).
Teal bragte nye færdigheder med sig fra laboratorierne: evnen til at dyrke og monokrystallinsk silicium. Den mest åbenlyse svaghed ved germanium var dets følsomhed over for temperatur. Når det blev udsat for varme, tabte germaniums atomer i krystallen hurtigt frie elektroner, hvilket fik det til at udvikle sig til en leder. Ved en temperatur på 77 °C stoppede det helt med at fungere som transistor. Den primære målgruppe for transistorer var de væbnede styrker – en potentiel forbruger med lav prisfølsomhed og et stort behov for stabile, pålidelige og kompakte elektroniske komponenter. Men det temperaturfølsomme germanium ville ikke være nyttigt i mange tilfælde af militær anvendelse, især i rumfart.
Silicon was much more stable, but it came with a significantly higher melting point, comparable to that of steel. This posed enormous challenges, considering that very pure crystals were required to produce high-quality transistors. Hot molten silicon would absorb impurities from any crucible it was in. Tiil and his team at TI managed to overcome these difficulties with ultra-pure silicon samples from DuPont. In May 1954, at the Institute of Radio Engineers conference in Dayton, Ohio, Tiil demonstrated that new silicon devices produced in his laboratory continued to function even when submerged in hot oil.
Succès de jeunes audacieux
Finally, about seven years after the first invention of the transistor, it could be manufactured from the material it became synonymous with. And it would take about as long again before transistors resembling those used in our microprocessors and memory chips appeared.
In 1955, scientists from Bell Labs successfully learned to make silicon transistors using a new doping technology – instead of adding solid impurity balls to a liquid melt, they introduced gaseous additives into the solid surface of the semiconductor (). By carefully controlling the temperature, pressure, and duration of the process, they achieved the exact necessary depth and degree of doping. Enhanced control over the production process resulted in improved control over the electrical properties of the final product. Importantly, thermal diffusion allowed for batch production – a large silicon wafer could be doped and then cut into transistors. The military funded Bell Labs, as significant upfront costs were needed to organize production. They required a new product for the ultra-high-frequency early radar detection line (“«), kæden af arktiske radarstationer designet til at opdage sovjetiske bombefly, der fløj fra Nordpolen, og de var klar til at betale $100 for en transistor (det var dengang, hvor en ny bil kunne købes for $2000).
Legering sammen med , der styrede placeringen af urenheder, åbnede muligheden for at ætse hele konturen fuldstændig på en halvledersubstrat – det var noget, der samtidig blev opdaget i Fairchild Semiconductor og Texas Instruments i 1959. «» fra Fairchild anvendte kemisk aflejring af metalfilm, der forbinder de elektriske kontakter i transistoren. Det eliminerede behovet for manuel ledningsføring, reducerede produktionsomkostningerne og øgede pålideligheden.
Endelig, i 1960 realiserede to ingeniører fra Bell Labs (John Atalla og Devon Kahn) den originale koncept af Shockley’s felt effekt transistor. Et tyndt lag af oxid på overfladen af halvlederen kunne effektivt undertrykke overfladiske tilstande, så det elektriske felt fra aluminiumsgitteret trængte ind i silicium. Således blev MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (eller MOS-struktur, fra metal-oxid-halvleder) født, som viste sig at være så let at miniaturisere og som stadig anvendes i næsten alle moderne computere (det er interessant, at Atalla var fra Egypten og Kahn fra Sydkorea, og næsten kun disse to ingeniører fra hele vores historie ikke har europæiske rødder).
Endelig, tretten år efter opfindelsen af den første transistor, kom der noget, der mindede om transistoren i din computer. Den var lettere at producere, brugte mindre energi end plantransistoren, men reagerede ret langsomt på signaler. Først efter udbredelsen af store integrerede kredsløb med hundreder eller tusinder af komponenter placeret på en enkelt chip, kom fordelene ved felttransistorer frem.
Illustration fra patentet på felttransistoren
Feldeffekt blev det seneste seriøse bidrag fra Bell Laboratories til udviklingen af transistorer. Større elektronikproducenter som Bell Laboratories (med deres Western Electric), General Electric, Sylvania og Westinghouse opbyggede en imponerende mængde forskning inden for halvledere. Fra 1952 til 1965 registrerede Bell Laboratories alene over to hundrede patenter på dette område. Alligevel gik det kommercielle marked hurtigt over til nye spillere som Texas Instruments, Transitron og Fairchild.
Det tidlige marked for transistorer var for lille til, at de store spillere lagde mærke til det: omkring $18 millioner om året i midten af 1950'erne, sammenlignet med et samlet elektronisk marked på $2 milliarder. Men forskningslaboratorierne hos disse giganter fungerede som utilsigtede træningslejre, hvor unge forskere kunne absorbere viden om halvledere for derefter at gå videre til at sælge deres ydelser til mindre firmaer. Da markedet for lampeelektronik i midten af 1960'erne begyndte at krympe alvorligt, var det allerede for sent for Bell Laboratories, Westinghouse og de andre at konkurrere med nykommerne.
Overgangen til transistorer i computere
I 1950'erne invaderede transistorer verden af elektronik inden for fire mest betydningsfulde områder. De to første var hørehjul og bærbare radioer, hvor lavt energiforbrug og dermed lang batterilevetid overvandt de øvrige overvejelser. Det tredje var militær anvendelse. Den amerikanske hær havde store forhåbninger til transistorer som pålidelige og kompakte komponenter, der kunne bruges overalt fra felt-radioer til ballistiske missiler. Men i starten mindede deres udgifter til transistorer mere om et væddemål på teknologiens fremtid end om en bekræftelse af deres daværende værdi. Og endelig var der også digital beregning.
Inden for datateknologi var ulemperne ved elektronrør-switches velkendte, og nogle skeptikere mente endda, før krigen, at det ville være umuligt at lave en praktisk elektronisk computer. Når tusindvis af rør blev samlet i én enhed, slugte de elektricitet og genererede en enorm mængde varme, og når det kom til pålidelighed, kunne man kun stole på deres regelmæssige nedbrud. Derfor blev transistoren, som bruger mindre strøm, er kold og uden glødetråd, en redning for computerproducenterne. Dens mangler som forstærker (for eksempel et mere støjende outputsignal) var ikke så store problemer, når den blev brugt som switch. Den eneste hindring var prisen, og med tiden ville den begynder at falde drastisk.
Alle tidlige amerikanske eksperimenter med transistorcomputere opstod i krydsfeltet mellem militærets ønske om at undersøge potentialet i en lovende ny teknologi og ingeniørernes ønske om at skifte til forbedrede switches.
I Bell Labs byggede de i 1954 TRADIC for det amerikanske luftvåben for at se, om transistorer ville muliggøre at installere en digital computer om bord på en bombefly, erstatte den analoge navigation og hjælpe med målsøgning. MIT's Lincoln Laboratory udviklede computeren TX-0 som en del af et omfattende luftforsvarsprojekt i 1956. Maskinen brugte en anden variant af transistoren, en overfladebarrieretransistor, der var godt egnet til højhastighedsberegninger. Philco byggede sin SOLO-computer under kontrakt med den amerikanske flåde (men faktisk – på anmodning af NSA), og færdiggjorde den i 1958 (ved at bruge endnu en variant af overfladebarrieretransistoren).
I Vesteuropa, hvor ressourcerne var mere begrænsede under den kolde krig, var historien en helt anden. Maskiner som Manchester Transistor Computer, (endnu et navn inspireret af ENIAC-projektet, og kodet ved at skrive det baglæns) og den østrigske var sideløbende projekter, der brugte de ressourcer, som deres skabere kunne skrabe sammen – inklusive første generations punktkontakttransistorer.
Der er mange diskussioner om titlen som den første computer, der brugte transistorer. Det hele afhænger selvfølgelig af valget af de rigtige definitioner af ord som "første", "transistor" og "computer". I hvert fald er det kendt, hvor historien slutter. Kommercialisering af transistorcomputere begyndte næsten med det samme. År efter år blev computere, der kostede det samme, mere og mere kraftfulde, mens computere med samme kapacitet blev billigere, og denne proces syntes så ubarmhjertig, at den blev hævet til et niveau ved siden af tyngdekraften og energibevarelsen. Skal vi diskutere, hvilken lille sten der blev den første i nedfaldet?
Hvor kommer Moore's lov fra?
Når man nærmer sig slutningen af historien om kontakter, er det værd at stille spørgsmålet: Hvad førte til fremkomsten af dette nedfald? Hvorfor eksisterer Moore's lov (eller eksisterede – lad os diskutere det en anden gang)? For fly eller støvsugere findes der ikke nogen Moore's lov, ligesom der ikke er en for elektriske lamper eller relæer.
Svaret består af to dele:
- De logiske egenskaber ved kontaktens kategori som artefakt.
- Muligheden for at bruge rene kemiske processer til at fremstille transistorer.
Lad os først tale om essensen af kontakten. Egenskaberne ved de fleste artefakter skal tilfredsstille et bredt spektrum af ubarmhjertige fysiske begrænsninger. Et passagerfly skal kunne bære den samlede vægt af mange mennesker. En støvsuger skal kunne suge et bestemt antal skidt op på en bestemt tid over et bestemt fysisk areal. Fly og støvsugere vil være ubrugelige, hvis de skal nedskaleres til nanomål.
Men for kontakten – den automatiske kontakt, som aldrig har været berørt af menneskelig hånd – er der langt færre fysiske begrænsninger. Den skal have to forskellige tilstande, og den skal kunne informere andre lignende kontakter om ændringen i deres tilstande. Så alt, hvad den skal kunne, er at tænde og slukke. Hvad er der så særligt ved transistorer? Hvorfor har andre typer digitale kontakter ikke oplevet sådanne eksponentielle forbedringer?
Her nærmer vi os den anden kendsgerning. Transistorer kan fremstilles ved hjælp af kemiske processer uden mekanisk indblanding. Fra starten har anvendelsen af kemiske tilsætningsstoffer været en nøglekomponent i transistorproduktionen. Derefter opstod den planare proces, der fjernede det sidste mekaniske trin i produktionen – tilslutningen af ledninger. Resultatet var, at det sidste fysiske begrænsning på miniaturisering blev fjernet. Transistorer behøvede ikke længere at være store nok til menneskelige fingre – eller til noget mekanisk apparat. Det hele blev udført af simpel kemi, på en ufatteligt lille skala: syre til ætsning, lys til at styre, hvilke dele af overfladen der skulle modstå ætsningen, og dampe til indførelsen af tilsætningsstoffer og metalfilme på de ætset spor.
Men hvorfor er miniaturisering overhovedet nødvendig? Reduceringen af størrelsen gav en række behagelige bivirkninger: hurtigere skiftehastighed, mindre energiforbrug og lavere omkostninger pr. enhed. Disse stærke incitamenter motiverede alle til at finde måder at reducere størrelsen af omskifterne. Og halvlederindustrien er i løbet af et menneskes liv gået fra at fremstille omskiftere på størrelse med en negl til at pakke titusindvis af millioner omskiftere per kvadratmillimeter. Fra at anmode om otte dollars for én omskifter til at tilbyde tyve millioner omskiftere for en dollar.
Intel 1103 hukommelseschip fra 1971. De enkelte transistorer, som kun er nogle få mikrometre store, er allerede usynlige for det blotte øje. Og siden da er de blevet reduceret endnu engang med tusinde gange.
Hvad mere at læse:
- Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
- Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Kilde: habr.com
