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Seit über hundert Jahren wedelt der analoge Hund mit dem digitalen Schwanz. Versuche, die Fähigkeiten unserer Sinne – Sehen, Hören und in gewissem Sinne auch der Berührung – zu erweitern, führten dazu, dass Ingenieure und Wissenschaftler nach besseren Komponenten für Telegraphen, Telefone, Radios und Radare suchten. Nur durch reines Glück entdeckte diese Suche den Weg zur Schaffung neuartiger digitaler Maschinen. Und ich beschloss, die Geschichte dieser Konstante zu erzählen , bei dem Telekommunikationsingenieure die Rohmaterialien für die ersten digitalen Computer lieferten und diese Computer manchmal sogar selbst entwarfen und bauten.
Doch in den 1960er Jahren endete diese fruchtbare Zusammenarbeit und damit auch meine Geschichte. Hersteller digitaler Geräte mussten nicht mehr auf die Welt des Telegrafen, des Telefons und des Radios zurückgreifen, um neue, verbesserte Schalter zu finden, da der Transistor selbst eine unerschöpfliche Quelle für Verbesserungen darstellte. Jahr für Jahr haben sie immer tiefer gegraben und immer Wege gefunden, die Geschwindigkeit exponentiell zu steigern und die Kosten zu senken.
Dies alles wäre jedoch nicht passiert, wenn die Erfindung des Transistors hier aufgehört hätte .
Langsamer Start
In der Fachpresse gab es wenig Begeisterung für die Ankündigung der Erfindung des Transistors durch Bell Labs. Am 1. Juli 1948 widmete die New York Times dem Ereignis am Ende ihres Radio News-Berichts drei Absätze. Darüber hinaus erschien diese Nachricht nach anderen, offensichtlich als wichtiger erachteten Nachrichten: zum Beispiel der einstündigen Radiosendung „Waltz Time“, die auf NBC erscheinen sollte. Im Nachhinein möchten wir vielleicht lachen oder sogar über die unbekannten Autoren schimpfen – warum haben sie das Ereignis, das die Welt auf den Kopf gestellt hat, nicht erkannt?
Aber der Rückblick verzerrt die Wahrnehmung und verstärkt Signale, von denen wir wissen, dass sie damals in einem Meer aus Lärm untergingen. Der Transistor von 1948 unterschied sich stark von den Transistoren der Computer, auf denen Sie diesen Artikel lesen (es sei denn, Sie haben sich entschieden, ihn auszudrucken). Sie unterschieden sich so sehr, dass sie trotz des gleichen Namens und der ununterbrochenen Erblinie, die sie verbindet, als verschiedene Arten, wenn nicht sogar als verschiedene Gattungen betrachtet werden sollten. Sie haben unterschiedliche Zusammensetzungen, unterschiedliche Strukturen, unterschiedliche Funktionsprinzipien, ganz zu schweigen von den enormen Größenunterschieden. Nur durch ständige Neuerfindung konnte das von Bardeen und Brattain konstruierte ungeschickte Gerät die Welt und unser Leben verändern.
Tatsächlich verdiente der Single-Point-Germanium-Transistor nicht mehr Aufmerksamkeit, als er erhielt. Es hatte mehrere von der Vakuumröhre geerbte Mängel. Sie war natürlich viel kleiner als die kompaktesten Lampen. Das Fehlen eines heißen Glühfadens bedeutete, dass es weniger Wärme erzeugte, weniger Energie verbrauchte, nicht durchbrannte und vor der Verwendung nicht aufgewärmt werden musste.
Allerdings führte die Ansammlung von Schmutz auf der Kontaktfläche zu Ausfällen und machte die Möglichkeit einer längeren Lebensdauer zunichte; es gab ein lauteres Signal; arbeitete nur bei geringer Leistung und in einem engen Frequenzbereich; bei Hitze, Kälte oder Feuchtigkeit versagt; und es konnte nicht einheitlich hergestellt werden. Mehrere Transistoren, die auf die gleiche Weise von denselben Leuten hergestellt wurden, hätten völlig unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Und das alles zum achtfachen Preis einer Standardlampe.
Erst 1952 hatten Bell Labs (und andere Patentinhaber) die Herstellungsprobleme so weit gelöst, dass Single-Point-Transistoren zu praktischen Geräten wurden, und selbst dann verbreiteten sie sich kaum über den Hörgerätemarkt hinaus, wo die Preissensibilität relativ gering war . und die Vorteile hinsichtlich der Akkulaufzeit überwogen die Nachteile.
Doch damals gab es bereits erste Versuche, den Transistor zu etwas Besserem und Nützlicherem zu machen. Sie begannen tatsächlich viel früher als zu dem Zeitpunkt, als die Öffentlichkeit von seiner Existenz erfuhr.
Shockleys Ambitionen
Gegen Ende des Jahres 1947 unternahm Bill Shockley voller Aufregung eine Reise nach Chicago. Er hatte vage Vorstellungen, wie er den kürzlich von Bardeen und Brattain erfundenen Transistor schlagen könnte, hatte aber noch keine Chance, diese zu entwickeln. Anstatt also eine Pause zwischen den Arbeitsphasen zu genießen, verbrachte er Weihnachten und Neujahr im Hotel und füllte etwa 20 Seiten eines Notizbuchs mit seinen Ideen. Darunter war ein Vorschlag für einen neuen Transistor, der aus einem Halbleiter-Sandwich besteht – einer Scheibe Germanium vom p-Typ zwischen zwei Stücken vom n-Typ.
Ermutigt durch dieses Ass im Ärmel erhob Shockley Anspruch auf Bardeen und Brattain für ihre Rückkehr nach Murray Hill und beanspruchte alle Ehre für die Erfindung des Transistors. War es nicht seine Idee des Feldeffekts, die Bardeen und Brattain ins Labor brachte? Müsste dies nicht erforderlich machen, ihm alle Rechte am Patent zu übertragen? Shockleys Trick ging jedoch nach hinten los: Die Patentanwälte von Bell Labs fanden heraus, dass der unbekannte Erfinder, , patentierte fast 20 Jahre zuvor, im Jahr 1930, einen Halbleiter-Feldeffektverstärker. Lilienfeld setzte seine Idee angesichts der damaligen Materiallage natürlich nie um, aber das Risiko einer Überschneidung war zu groß – es war besser, die Erwähnung ganz zu vermeiden der Feldeffekt im Patent.
Obwohl Bell Labs Shockley einen großzügigen Anteil am Erfinderverdienst gewährte, nannten sie im Patent nur Bardeen und Brattain. Was jedoch getan wurde, kann nicht rückgängig gemacht werden: Shockleys Ambitionen zerstörten seine Beziehung zu zwei Untergebenen. Bardeen hörte mit der Arbeit am Transistor auf und konzentrierte sich auf die Supraleitung. Er verließ die Laboratorien im Jahr 1951. Brattain blieb dort, weigerte sich jedoch, erneut mit Shockley zusammenzuarbeiten, und bestand darauf, in eine andere Gruppe versetzt zu werden.
Aufgrund seiner Unfähigkeit, mit anderen Menschen zusammenzuarbeiten, kam Shockley in den Labors nie voran und verließ das Labor ebenfalls. 1956 kehrte er nach Palo Alto zurück, um sein eigenes Transistorunternehmen Shockley Semiconductor zu gründen. Bevor er ging, trennte er sich von seiner Frau Jean, während sie sich von Gebärmutterkrebs erholte, und verlobte sich mit Emmy Lanning, die er bald heiratete. Doch von den beiden Hälften seines kalifornischen Traums – einer neuen Firma und einer neuen Frau – wurde nur eine wahr. Im Jahr 1957 verließen ihn seine besten Ingenieure, verärgert über seinen Führungsstil und die Richtung, in die er das Unternehmen führte, und gründeten ein neues Unternehmen, Fairchild Semiconductor.
Shockley im Jahr 1956
Also gab Shockley die leere Hülle seines Unternehmens auf und nahm eine Stelle in der Abteilung für Elektrotechnik an der Stanford University an. Dort verärgerte er weiterhin seine Kollegen (und seinen ältesten Freund, den Physiker). ) Theorien der Rassendegeneration, die ihn interessierten und – Themen, die in den Vereinigten Staaten seit dem Ende des letzten Krieges, insbesondere in akademischen Kreisen, unpopulär waren. Es machte ihm Freude, Kontroversen zu schüren, die Medien aufzuheizen und Proteste auszulösen. Er starb 1989, entfremdet von seinen Kindern und Kollegen und hatte nur Besuch von seiner stets ergebenen zweiten Frau Emmy.
Obwohl seine schwachen Versuche, Unternehmer zu werden, scheiterten, hatte Shockley einen Samen in fruchtbaren Boden gepflanzt. In der San Francisco Bay Area gab es viele kleine Elektronikfirmen, die während des Krieges mit Fördermitteln der Bundesregierung überschwemmt wurden. Fairchild Semiconductor, Shockleys zufälliger Spross, brachte Dutzende neuer Unternehmen hervor, von denen einige noch heute bekannt sind: Intel und Advanced Micro Devices (AMD). In den frühen 1970er Jahren erhielt das Gebiet den spöttischen Spitznamen „Silicon Valley“. Aber Moment mal – Bardeen und Brattain haben den Germanium-Transistor entwickelt. Woher kam Silizium?
So sah das verlassene Mountain View-Gelände im Jahr 2009 aus, auf dem sich früher Shockley Semiconductor befand. Heute ist das Gebäude abgerissen.
Auf dem Weg zum Silizium-Kreuzweg
Das Schicksal eines neuen Transistortyps, den Shockley in einem Hotel in Chicago erfand, war viel glücklicher als das seines Erfinders. Es ist alles dem Wunsch eines Mannes zu verdanken, einzelne, reine Halbleiterkristalle zu züchten. Gordon Teal, ein physikalischer Chemiker aus Texas, der sich für seine Doktorarbeit mit dem damals nutzlosen Germanium beschäftigt hatte, nahm in den 30er Jahren eine Stelle bei Bell Labs an. Nachdem er etwas über den Transistor erfahren hatte, war er davon überzeugt, dass seine Zuverlässigkeit und Leistung erheblich verbessert werden könnten, wenn man ihn aus einem reinen Einkristall statt aus den damals verwendeten polykristallinen Mischungen herstellte. Shockley lehnte seine Bemühungen als Ressourcenverschwendung ab.
Teal blieb jedoch hartnäckig und erzielte mit Hilfe des Maschinenbauingenieurs John Little Erfolg, indem er ein Gerät entwickelte, das aus geschmolzenem Germanium einen winzigen Kristallkeim extrahiert. Als Germanium um den Kern herum abkühlte, erweiterte es seine Kristallstruktur und erzeugte ein kontinuierliches und nahezu reines halbleitendes Gitter. Im Frühjahr 1949 konnten Teal und Little Kristalle auf Bestellung herstellen, und Tests zeigten, dass sie weit hinter ihren polykristallinen Konkurrenten zurückblieben. Insbesondere könnten ihnen hinzugefügte kleinere Transporter hundert Mikrosekunden oder sogar länger im Inneren überleben (gegenüber nicht mehr als zehn Mikrosekunden in anderen Kristallproben).
Jetzt konnte sich Teal mehr Ressourcen leisten und rekrutierte mehr Leute für sein Team, darunter auch einen weiteren physikalischen Chemiker, der aus Texas zu Bell Labs kam – Morgan Sparks. Sie begannen, die Schmelze zu verändern, um Germanium vom p- oder n-Typ herzustellen, indem sie Kügelchen mit geeigneten Verunreinigungen hinzufügten. Innerhalb eines Jahres hatten sie die Technologie so weit verbessert, dass sie ein Germanium-NPN-Sandwich direkt in der Schmelze wachsen lassen konnten. Und es funktionierte genau so, wie Shockley es vorhergesagt hatte: Ein elektrisches Signal vom p-Typ-Material modulierte den elektrischen Strom zwischen zwei Leitern, die mit den es umgebenden n-Typ-Stücken verbunden waren.
Morgan Sparks und Gordon Teal an einer Werkbank bei Bell Labs
Dieser gewachsene Sperrschichttransistor übertrifft seinen Vorgänger mit Einzelpunktkontakt in fast jeder Hinsicht. Insbesondere war es zuverlässiger und vorhersehbarer, erzeugte viel weniger Lärm (und war daher empfindlicher) und war äußerst energieeffizient – es verbrauchte eine Million Mal weniger Energie als eine typische Vakuumröhre. Im Juli 1951 hielt Bell Labs eine weitere Pressekonferenz ab, um die neue Erfindung bekannt zu geben. Noch bevor der erste Transistor auf den Markt kam, war er bereits weitgehend bedeutungslos geworden.
Und doch war dies erst der Anfang. Im Jahr 1952 kündigte General Electric (GE) die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Sperrschichttransistoren an, der Fusionsmethode. In seinem Rahmen wurden zwei Kugeln aus Indium (Donor vom p-Typ) auf beiden Seiten einer dünnen Scheibe Germanium vom n-Typ verschmolzen. Dieser Prozess war einfacher und billiger als das Züchten von Übergängen in einer Legierung; ein solcher Transistor ergab weniger Widerstand und unterstützte höhere Frequenzen.
Gewachsene und verschmolzene Transistoren
Im folgenden Jahr beschloss Gordon Teal, in seinen Heimatstaat zurückzukehren und nahm eine Stelle bei Texas Instruments (TI) in Dallas an. Das Unternehmen wurde als Geophysical Services, Inc. gegründet und produzierte zunächst Geräte für die Ölexploration. TI hatte während des Krieges eine Elektronikabteilung eröffnet und stieg nun unter Lizenz von Western Electric (der Produktionsabteilung von Bell Labs) in den Transistormarkt ein.
Teal brachte neue Fähigkeiten mit, die er in den Labors erlernt hatte: die Fähigkeit zu wachsen und Silizium-Einkristalle. Die offensichtlichste Schwäche von Germanium war seine Temperaturempfindlichkeit. Bei Hitzeeinwirkung geben die Germaniumatome im Kristall schnell freie Elektronen ab und er wird zunehmend zum Leiter. Bei einer Temperatur von 77 °C funktionierte er überhaupt nicht mehr wie ein Transistor. Das Hauptziel für den Verkauf von Transistoren war das Militär – ein potenzieller Verbraucher mit geringer Preissensibilität und einem großen Bedarf an stabilen, zuverlässigen und kompakten elektronischen Komponenten. Allerdings wäre temperaturempfindliches Germanium für viele militärische Anwendungen, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, nicht sinnvoll.
Silizium war viel stabiler, hatte aber einen viel höheren Schmelzpunkt, vergleichbar mit dem von Stahl. Dies bereitete enorme Schwierigkeiten, da für die Herstellung hochwertiger Transistoren sehr reine Kristalle erforderlich waren. Heißes geschmolzenes Silizium würde Verunreinigungen aus dem Tiegel absorbieren, in dem es sich befand. Teel und sein Team bei TI konnten diese Herausforderungen mit ultrareinen Siliziumproben von DuPont meistern. Im Mai 1954 demonstrierte Teal auf einer Konferenz des Institute of Radio Engineering in Dayton, Ohio, dass in seinem Labor hergestellte neue Siliziumgeräte auch dann weiter funktionierten, wenn sie in heißes Öl getaucht wurden.
Erfolgreiche Emporkömmlinge
Etwa sieben Jahre nach der ersten Erfindung des Transistors konnte er schließlich aus dem Material hergestellt werden, für das er zum Synonym geworden war. Und ungefähr genauso viel Zeit wird vergehen, bis Transistoren auftauchen, die in etwa der Form ähneln, die in unseren Mikroprozessoren und Speicherchips verwendet wird.
Im Jahr 1955 gelang es den Wissenschaftlern von Bell Labs, Siliziumtransistoren mit einer neuen Dotierungstechnologie herzustellen: Anstatt einer flüssigen Schmelze feste Kugeln aus Verunreinigungen hinzuzufügen, führten sie gasförmige Zusätze in die feste Oberfläche des Halbleiters ein (). Durch sorgfältige Kontrolle von Temperatur, Druck und Dauer des Verfahrens erreichten sie genau die erforderliche Tiefe und den erforderlichen Dotierungsgrad. Eine bessere Kontrolle über den Herstellungsprozess ermöglicht eine bessere Kontrolle über die elektrischen Eigenschaften des Endprodukts. Noch wichtiger ist, dass die thermische Diffusion es ermöglichte, das Produkt in Chargen herzustellen – man konnte eine große Siliziumplatte dotieren und sie dann in Transistoren schneiden. Das Militär finanzierte die Bell Laboratories, da der Aufbau der Produktion hohe Vorlaufkosten erforderte. Sie brauchten ein neues Produkt für eine Ultrahochfrequenz-Frühwarnradarverbindung („"), einer Kette arktischer Radarstationen, die dazu bestimmt waren, vom Nordpol aus fliegende sowjetische Bomber aufzuspüren, und sie waren bereit, 100 Dollar pro Transistor auszugeben (das waren die Zeiten, in denen ein neues Auto für 2000 Dollar gekauft werden konnte).
Legieren mit , das die Position von Verunreinigungen kontrollierte, eröffnete die Möglichkeit, die gesamte Schaltung vollständig auf einem Halbleitersubstrat zu ätzen – dies wurde 1959 gleichzeitig von Fairchild Semiconductor und Texas Instruments in Betracht gezogen.“" von Fairchild nutzte die chemische Abscheidung von Metallfilmen, die die elektrischen Kontakte des Transistors verbinden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer manuellen Verkabelung, die Produktionskosten werden gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht.
Schließlich setzten zwei Ingenieure von Bell Labs (John Atalla und Davon Kahn) im Jahr 1960 Shockleys ursprüngliches Konzept für einen Feldeffekttransistor um. Eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche des Halbleiters konnte Oberflächenzustände wirksam unterdrücken, wodurch das elektrische Feld vom Aluminium-Gate in das Silizium eindrang. So entstand der MOSFET [Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor] (oder MOS-Struktur, von Metall-Oxid-Halbleiter), der sich als so einfach zu miniaturisieren erwies und der (interessanterweise) immer noch in fast allen modernen Computern verwendet wird , Atalla stammt aus Ägypten und Kang aus Südkorea, und praktisch nur diese beiden Ingenieure aus unserer gesamten Geschichte haben keine europäischen Wurzeln.
Schließlich, dreizehn Jahre nach der Erfindung des ersten Transistors, erschien etwas, das dem Transistor in Ihrem Computer ähnelte. Er war einfacher herzustellen und verbrauchte weniger Strom als der Sperrschichttransistor, reagierte jedoch recht langsam auf Signale. Erst mit der Verbreitung hochintegrierter Schaltkreise mit Hunderten oder Tausenden von Komponenten auf einem einzigen Chip kamen die Vorteile von Feldeffekttransistoren zum Vorschein.
Illustration aus dem Feldeffekttransistor-Patent
Der Feldeffekt war der letzte große Beitrag von Bell Labs zur Entwicklung des Transistors. Große Elektronikhersteller wie Bell Laboratories (mit Western Electric), General Electric, Sylvania und Westinghouse haben eine beeindruckende Menge an Halbleiterforschung angesammelt. Allein die Bell Laboratories meldeten zwischen 1952 und 1965 mehr als zweihundert Patente zu diesem Thema an. Doch der kommerzielle Markt fiel schnell in die Hände neuer Akteure wie Texas Instruments, Transitron und Fairchild.
Der frühe Transistormarkt war zu klein, um die Aufmerksamkeit der großen Akteure auf sich zu ziehen: Mitte der 18er Jahre betrug er etwa 1950 Millionen US-Dollar pro Jahr, verglichen mit einem gesamten Elektronikmarkt von 2 Milliarden US-Dollar. Die Forschungslabore dieser Giganten dienten jedoch unbeabsichtigt als Trainingslager Hier konnten junge Wissenschaftler Halbleiterwissen erwerben, bevor sie ihre Dienstleistungen an kleinere Unternehmen verkauften. Als der Markt für Röhrenelektronik Mitte der 1960er-Jahre stark zu schrumpfen begann, war es für Bell Labs, Westinghouse und die anderen zu spät, mit den Emporkömmlingen zu konkurrieren.
Der Übergang von Computern zu Transistoren
In den 1950er Jahren eroberten Transistoren in vier Hauptbereichen die Welt der Elektronik. Bei den ersten beiden handelte es sich um Hörgeräte und tragbare Radios, bei denen der geringe Stromverbrauch und die daraus resultierende lange Batterielebensdauer andere Überlegungen überwogen. Der dritte war die militärische Nutzung. Die US-Armee setzte große Hoffnungen in Transistoren als zuverlässige, kompakte Komponenten, die in allen Bereichen eingesetzt werden könnten, von Feldradios bis hin zu ballistischen Raketen. Allerdings schienen ihre Ausgaben für Transistoren in der Anfangszeit eher eine Wette auf die Zukunft der Technologie als eine Bestätigung ihres damaligen Wertes zu sein. Und schließlich gab es auch digitales Rechnen.
Im Computerbereich waren die Mängel von Vakuumröhrenschaltern wohlbekannt, und einige Skeptiker glaubten vor dem Krieg sogar, dass ein elektronischer Computer nicht zu einem praktischen Gerät gemacht werden könne. Wenn Tausende von Lampen in einem Gerät zusammengefasst wurden, verbrauchten sie Strom und erzeugten enorme Mengen an Wärme, und in Bezug auf die Zuverlässigkeit konnte man sich nur auf ihr regelmäßiges Durchbrennen verlassen. Daher wurde der stromsparende, kühle und gewindelose Transistor zum Retter der Computerhersteller. Seine Nachteile als Verstärker (z. B. lauterer Ausgang) waren bei der Verwendung als Schalter nicht so problematisch. Das einzige Hindernis waren die Kosten, die zu gegebener Zeit stark sinken würden.
Alle frühen amerikanischen Experimente mit Transistorcomputern erfolgten an der Schnittstelle zwischen dem Wunsch des Militärs, das Potenzial einer vielversprechenden neuen Technologie zu erkunden, und dem Wunsch der Ingenieure, auf verbesserte Schalter umzusteigen.
Bell Labs baute TRADIC 1954 für die US-Luftwaffe, um herauszufinden, ob Transistoren die Installation eines digitalen Computers an Bord eines Bombers ermöglichen würden, der die analoge Navigation ersetzen und bei der Suche nach Zielen helfen würde. Das MIT Lincoln Laboratory entwickelte 0 im Rahmen eines umfangreichen Luftverteidigungsprojekts den TX-1956-Computer. Die Maschine nutzte eine andere Variante des Oberflächenbarrieretransistors, die sich gut für Hochgeschwindigkeitsrechnen eignete. Philco baute seinen SOLO-Computer im Rahmen eines Vertrags mit der Marine (eigentlich jedoch auf Wunsch der NSA) und stellte ihn 1958 fertig (unter Verwendung einer anderen Variante des Oberflächenbarrieretransistors).
In Westeuropa, das während des Kalten Krieges weniger über Ressourcen verfügte, war die Geschichte ganz anders. Maschinen wie der Manchester Transistor Computer, (ein anderer Name, der vom ENIAC-Projekt inspiriert und rückwärts geschrieben wurde) und Österreichisch waren Nebenprojekte, die die Ressourcen nutzten, die ihre Schöpfer zusammenkratzen konnten – darunter Single-Point-Transistoren der ersten Generation.
Es gibt viele Kontroversen über den Titel des ersten Computers, der Transistoren verwendet. Es kommt natürlich darauf an, die richtigen Definitionen für Wörter wie „zuerst“, „Transistor“ und „Computer“ zu wählen. Auf jeden Fall wissen wir, wo die Geschichte endet. Die Kommerzialisierung von Transistorcomputern begann fast sofort. Jahr für Jahr wurden Computer für den gleichen Preis immer leistungsfähiger, und Computer mit der gleichen Leistung wurden billiger, und dieser Prozess schien so unaufhaltsam, dass er neben der Schwerkraft und der Energieerhaltung in den Rang eines Gesetzes erhoben wurde. Müssen wir darüber streiten, welcher Kieselstein als erster einstürzte?
Woher kommt Moores Gesetz?
Da wir uns dem Ende der Switch-Geschichte nähern, lohnt es sich zu fragen: Was hat diesen Zusammenbruch verursacht? Warum gibt es das Mooresche Gesetz (oder existierte es – darüber werden wir ein anderes Mal diskutieren)? Für Flugzeuge oder Staubsauger gibt es kein Mooresches Gesetz, ebenso wenig für Vakuumröhren oder Relais.
Die Antwort besteht aus zwei Teilen:
- Logische Eigenschaften eines Schalters als Artefaktkategorie.
- Die Fähigkeit, rein chemische Prozesse zur Herstellung von Transistoren zu nutzen.
Zunächst zum Wesen des Schalters. Die Eigenschaften der meisten Artefakte müssen einer Vielzahl unerbittlicher physikalischer Einschränkungen genügen. Ein Passagierflugzeug muss das Gesamtgewicht vieler Menschen tragen. Ein Staubsauger muss in der Lage sein, eine bestimmte Menge Schmutz in einer bestimmten Zeit aus einem bestimmten physischen Bereich aufzusaugen. Flugzeuge und Staubsauger wären nutzlos, wenn sie auf den Nanomaßstab reduziert würden.
Ein Schalter, ein automatischer Schalter, der noch nie von einer menschlichen Hand berührt wurde, unterliegt weitaus weniger physischen Einschränkungen. Es muss zwei unterschiedliche Zustände haben und in der Lage sein, mit anderen ähnlichen Schaltern zu kommunizieren, wenn sich deren Zustände ändern. Das heißt, es sollte sich nur ein- und ausschalten lassen. Was ist das Besondere an Transistoren? Warum haben andere Arten digitaler Schalter keine derart exponentiellen Verbesserungen erfahren?
Hier kommen wir zur zweiten Tatsache. Transistoren können mit chemischen Verfahren ohne mechanischen Eingriff hergestellt werden. Ein zentrales Element der Transistorproduktion war von Anfang an die Verwendung chemischer Verunreinigungen. Dann kam das Planarverfahren, das den letzten mechanischen Schritt der Produktion – das Anbringen der Drähte – eliminierte. Dadurch beseitigte er die letzte physikalische Einschränkung der Miniaturisierung. Transistoren mussten nicht mehr groß genug für menschliche Finger oder andere mechanische Geräte sein. Alles wurde durch einfache Chemie in unvorstellbar kleinem Maßstab erreicht: Säure zum Ätzen, Licht zur Kontrolle, welche Teile der Oberfläche dem Ätzen widerstehen würden, und Dampf, um Verunreinigungen und Metallfilme in die geätzten Spuren einzubringen.
Warum ist Miniaturisierung überhaupt notwendig? Die Verkleinerung brachte eine ganze Reihe angenehmer Nebeneffekte mit sich: erhöhte Schaltgeschwindigkeit, geringerer Energieverbrauch und geringere Kosten für einzelne Kopien. Diese starken Anreize haben alle dazu veranlasst, nach Möglichkeiten zu suchen, die Zahl der Umstellungen weiter zu reduzieren. Und die Halbleiterindustrie ist von der Herstellung von Schaltern in der Größe eines Fingernagels dazu übergegangen, im Leben eines einzigen Menschen Dutzende Millionen Schalter pro Quadratmillimeter zu verpacken. Von acht Dollar für einen Schalter bis hin zum Angebot von zwanzig Millionen Schaltern für einen Dollar.
Intel 1103 Speicherchip von 1971. Einzelne Transistoren, die nur noch mehrere zehn Mikrometer groß sind, sind für das Auge nicht mehr sichtbar. Und seitdem sind sie noch tausendmal zurückgegangen.
Was gibt es sonst noch zu lesen:
- Ernest Bruan und Stuart MacDonald, Revolution in Miniatur (1978)
- Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Source: habr.com