Geschichte des Transistors, Teil 3: mehrfaches Re-Inventing

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Über hundert Jahre hat der analoge Hund mit dem digitalen Schwanz gewedelt. Die Versuche, die Fähigkeiten unserer Sinne – Sehen, Hören und sogar, in gewissem Sinne, Fühlen – zu erweitern, führten Ingenieure und Wissenschaftler auf die Suche nach besseren Komponenten für Telegraphen, Telefone, Radios und Radars. Nur durch einen glücklichen Zufall fanden diese Suchen den Weg zur Schaffung neuer Arten von digitalen Maschinen. Und ich habe mich entschieden, die Geschichte dieser ständigen Exaptation, während der Ingenieure der Elektrotechnik die Rohstoffe für die ersten digitalen Computer lieferten und manchmal sogar selbst diese Computer entwarfen und schufen.

Doch in den 1960er Jahren endete diese fruchtbare Zusammenarbeit und damit auch meine Geschichte. Die Hersteller von digitaler Hardware mussten nicht länger in die Welt von Telegraph, Telefon und Radio schauen, um neue, verbesserte Schalter zu finden, da der Transistor selbst eine unerschöpfliche Quelle für Verbesserungen bot. Jahr für Jahr grub man immer tiefer, fand immer wieder Wege, die Geschwindigkeit der Verarbeitung exponentiell zu steigern und die Kosten zu senken.

Doch das alles wäre nicht geschehen, wenn die Erfindung des Transistors bei der Arbeit von Bardeen und Brattain.

einem langsamen Start

in der populären Presse nicht auf aktiven Enthusiasmus beim Bekanntgeben der Erfindung des Transistors durch die Bell Labs gestoßen wäre. Am 1. Juli 1948 wurde diesem Ereignis in der The New York Times nur drei Absätze am Ende der Zusammenfassung ‚Radio-Nachrichten‘ gewidmet. Diese Nachricht erschien zudem nach anderen, die offensichtlich als wichtiger erachtet wurden: beispielsweise der Stunde-Radioshow ‚Waltz Time‘, die auf NBC ausgestrahlt werden sollte. Rückblickend möchten wir vielleicht lachen oder sogar die unbekannten Autoren tadeln – wie konnten sie nur ein die Welt veränderndes Ereignis nicht erkennen?

Der Blick in die Vergangenheit verzerrt die Wahrnehmung und verstärkt die Signale, deren Bedeutung uns bekannt ist, obwohl sie zur damaligen Zeit im Rauschen untergingen. Der Transistor aus dem Jahr 1948 unterschied sich stark von den Transistoren der Computer, auf einem von denen Sie diesen Artikel lesen (es sei denn, Sie haben beschlossen, ihn auszudrucken). Sie unterschieden sich so stark, dass man sie trotz des gleichen Namens und der durchgehenden Erblinie als verschiedene Arten, wenn nicht sogar als verschiedene Gattungen betrachten muss. Sie haben unterschiedliche Zusammensetzungen, unterschiedliche Strukturen, unterschiedliche Funktionsprinzipien, ganz zu schweigen von dem riesigen Größenunterschied. Nur durch ständige Wiedererfindungen konnte das unbeholfene Gerät, das von Bardeen und Brattain konstruiert wurde, die Welt und unser Leben verändern.

Tatsächlich verdiente der Germaniumtransistor mit einem Kontaktpunkt nicht mehr Aufmerksamkeit, als er erhielt. Er hatte einige Mängel, die er von der Elektronenröhre geerbt hatte. Er war natürlich viel kleiner als die kompaktesten Röhren. Das Fehlen eines glühenden Drahtes bedeutete, dass er weniger Wärme erzeugte, weniger Energie verbrauchte, nicht durchbrannte und keine Vorheizzeit vor der Nutzung benötigte.

Die Ansammlung von Schmutz auf der Kontaktfläche führte jedoch zu Ausfällen und minderte das Potenzial für eine längere Lebensdauer; er gab ein lauteres Signal aus; funktionierte nur bei niedrigen Leistungen und in einem engen Frequenzbereich; fiel bei Hitze, Kälte oder Feuchtigkeit aus; und konnte nicht gleichmäßig hergestellt werden. Mehrere Transistoren, die auf die gleiche Weise von denselben Personen hergestellt wurden, hatten auffällig unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Und all das hatte einen Preis, der achtmal höher war als der einer Standardröhre.

Erst 1952 lösten die Bell Labs (und andere Patentinhaber) die Produktionsprobleme ausreichend, sodass Transistoren mit einem Kontaktpunkt praktische Geräte wurden, und selbst dann breiteten sie sich nicht besonders über den Markt für Hörgeräte hinaus aus, wo die Preissensibilität relativer niedrig war und die Vorteile bezüglich der Akkulaufzeit die Nachteile überwiegen.

Doch bereits damals begannen die ersten Versuche, den Transistor in etwas Besseres und Nützlicheres zu verwandeln. Sie begannen eigentlich viel früher, bevor die Öffentlichkeit von seiner Existenz erfuhr.

Ambitionen von Shockley

Ende 1947 unternahm Bill Shockley, ganz aufgeregt, eine Reise nach Chicago. Er hatte vage Ideen, wie er den kürzlich von Bardin und Brattain erfundenen Transistor übertreffen könnte, hatte aber noch keine Gelegenheit, sie zu entwickeln. Anstatt die Pause zwischen den Arbeitsphasen zu genießen, verbrachte er Weihnachten und Neujahr in einem Hotel und füllte etwa 20 Seiten seines Notizbuchs mit seinen Ideen. Darunter war ein Vorschlag für einen neuen Transistor, der aus einem Halbleiter-Sandwich bestand – einer Schicht p-Typ-Germanium zwischen zwei Stücken n-Typ.

Ermutigt durch das Vorhandensein eines solchen Trumpfkarten in seinem Hand, stellte Shockley Bardin und Brattain Ansprüche bei ihrer Rückkehr nach Murray Hill und forderte den gesamten Ruhm für die Erfindung des Transistors. War es nicht seine Idee des Feldeffekts, die Bardin und Brattain ins Labor brachte? Musste ihm deshalb nicht das gesamte Patentrecht übertragen werden? Doch Shockleys List schlug ihm fehl: Die Patentanwälte der Bell-Labors fanden heraus, dass der unbekannte Erfinder, Julian Edgar Lilienfeld, fast 20 Jahre zuvor, im Jahr 1930, einen Halbleiterverstärker auf Basis des Feldeffekts patentiert hatte. Lilienfeld hatte seine Idee zwar nie verwirklicht, da die Materialzustände zu der Zeit dies verhinderten, aber das Risiko einer Überschneidung war zu groß – es war besser, die Erwähnung des Feldeffekts im Patent vollständig zu vermeiden.

So erhielt Shockley zwar einen großzügigen Anteil an Ruhm als Erfinder von den Bell-Labors, doch im Patent wurden nur Bardin und Brattain erwähnt. Doch was getan wurde, kann nicht rückgängig gemacht werden: Shockleys Ambitionen zerstörten seine Beziehungen zu den beiden Untergebenen. Bardin stellte die Arbeit am Transistor ein und konzentrierte sich auf Supraleitung. Er verließ die Labore im Jahr 1951. Brattain blieb dort, weigerte sich jedoch, erneut mit Shockley zu arbeiten, und bestand auf einer Versetzung in eine andere Gruppe.

Aufgrund seiner Unfähigkeit, mit anderen Menschen zu arbeiten, konnte Shockley in den Laboren nicht vorankommen, weshalb er auch dort ging. 1956 kehrte er nach Palo Alto zurück, um sein eigenes Transistorunternehmen, Shockley Semiconductor, zu gründen. Vor seiner Abreise trennte er sich von seiner Frau Jean, während sie sich von Gebärmutterkrebs erholte, und ließ sich mit Emmy Lenning nieder, die er bald darauf heiratete. Doch von den beiden Hälften seines kalifornischen Traums – dem neuen Unternehmen und der neuen Frau – erfüllte sich nur eine. 1957 verließen ihn seine besten Ingenieure, wütend über seinen Führungsstil und die Richtung, in die er das Unternehmen führte, um eine neue Firma, Fairchild Semiconductor, zu gründen.

Shockley 1956

So ließ Shockley die leere Hülle seiner Firma hinter sich und ging zum Department für Elektrotechnik an der Stanford-Universität. Dort schreckte er weiterhin seine Kollegen (und seinen ältesten Freund, den Physiker Fred Zetz) mit seinen ihn interessierenden Theorien über Rassenverfall und Rassenhygiene ab, Themen, die in den USA seit dem Ende des letzten Krieges, besonders in akademischen Kreisen, unpopulär sind. Er fand Freude daran, Kontroversen anzuzetteln, die Medien aufzuheizen und Proteste auszulösen. Er starb 1989, entfremdet von seinen Kindern und Kollegen, und besucht nur von seiner ewig treuen zweiten Frau, Emmy.

Obwohl seine jämmerlichen Versuche im Unternehmertum gescheitert waren, säte Shockley einen Samen in fruchtbaren Boden. Das San Francisco Bay Area brachte viele kleine Elektronikunternehmen hervor, die während des Krieges mit federführenden Mitteln der Bundesregierung unterstützt wurden. Fairchild Semiconductor, eine zufällige Abspaltung von Shockley, gab Dutzenden neuer Firmen das Leben, von denen einige bis heute bekannt sind: Intel und Advanced Micro Devices (AMD). Bis Anfang der 1970er Jahre hatte diese Region den spöttischen Spitznamen „Silicon Valley“ verdient. Aber Moment mal – Bardin und Breton hatten den Germanium-Transistor geschaffen. Woher kam der Silizium?

So sah 2009 der verlassene Ort in Mountain View aus, wo früher Shockley Semiconductor ansässig war. Heute wurde das Gebäude abgerissen.

Zur Silizium-Kreuzung

Das Schicksal des neuen Transistors, der von Shockley in einem Hotel in Chicago erfunden wurde, war viel glücklicher als das seines Erfinders. Dies verdankte sich dem Bestreben eines Menschen, reine Halbleiterkristalle zu züchten. Gordon Teal, physikalischer Chemiker aus Texas, der in den 1930er Jahren an dem damals nutzlosen Germanium für seine Doktorarbeit arbeitete, trat in die Bell-Laboratorien ein. Als er von dem Transistor hörte, war er überzeugt, dass seine Zuverlässigkeit und Leistung erheblich verbessert werden könnten, wenn er aus reinem Einkristall statt aus den damals verwendeten polykrystalline Mischungen hergestellt würde. Shockley wies seine Versuche als sinnlose Verschwendung von Ressourcen zurück.

Teal gab jedoch nicht auf und hatte Erfolg, indem er mit dem Maschinenbauingenieur John Little ein Gerät entwickelte, das einen winzigen Kristallkeim aus geschmolzenem Germanium gewann. Während das Germanium um den Keim abkühlte, erweiterte es seine Kristallstruktur und schuf ein kontinuierliches und nahezu reines halbleitendes Gitter. Bis zum Frühling 1949 konnten Teal und Little Kristalle auf Bestellung herstellen, und die Tests zeigten, dass sie ihre polykrystallinen Wettbewerber weit hinter sich ließen. Insbesondere konnten die hinzugefügten nicht-grundlegenden Trägersubstanzen eine Zeitspanne von hundert Mikrosekunden oder sogar länger überstehen (gegenüber höchstens zehn Mikrosekunden in anderen Kristallproben).

Jetzt hatte Teal Zugang zu mehr Ressourcen und stellte mehr Leute ein, darunter einen weiteren physikalischen Chemiker, Morgan Sparks, der aus Texas in die Bell-Laboratorien kam. Sie begannen, die Schmelze zur Herstellung von p-typ oder n-typ Germanium zu ändern, indem sie entsprechende Verunreinigungen hinzufügten. Ein Jahr später hatten sie die Technologie so weit verbessert, dass sie Sandwichs aus n-p-n Germanium direkt in der Schmelze züchten konnten. Und es funktionierte genau so, wie Shockley es vorhergesagt hatte: Das elektrische Signal des p-Typ-Materials modulierte den elektrischen Strom zwischen zwei Leitern, die mit umgebenden n-Typ-Stücken verbunden waren.

Morgan Sparks und Gordon Teal an der Werkbank in den Bell-Laboratorien.

Dieser Transistor mit wachsendem Übergang übertraf seinen Vorgänger mit einem Punktkontakt in fast allen Bereichen. Besonders hervorzuheben ist, dass er zuverlässiger und vorhersehbarer wurde, viel weniger Rauschen erzeugte (und damit empfindlicher war) und extrem energieeffizient – er verbrauchte eine Million Mal weniger Energie als eine typische Elektronenröhre. Im Juli 1951 organisierten die Bell Laboratories eine weitere Pressekonferenz, um eine neue Erfindung anzukündigen. Bevor der erste Transistor überhaupt auf den Markt kam, hatte er bereits an Bedeutung verloren.

Und dennoch war das erst der Anfang. 1952 kündigte General Electric (GE) die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Transistoren mit Übergang, einem Legierungsprozess, an. In diesem Rahmen wurden zwei Indiumkugeln (p-Typ-Dotierung) von beiden Seiten einer dünnen Scheibe aus n-dotiertem Germanium verschmolzen. Dieser Prozess war einfacher und kostengünstiger als das Wachstum von Übergängen in Legierungen, und dieser Transistor bot geringeren Widerstand und unterstützte höhere Frequenzen.

Wachstums- und Legierungs-Transistoren

Im folgenden Jahr entschloss sich Gordon Teal, in seinen Heimatstaat zurückzukehren, und nahm eine Stelle bei Texas Instruments (TI) in Dallas an. Das Unternehmen wurde unter dem Namen Geophysical Services, Inc. gegründet und stellte zunächst Geräte zur Erkundung von Erdölvorkommen her. Während des Krieges eröffnete TI eine Elektronikabteilung und trat nun mit einer Lizenz von Western Electric (dem Produktionszweig der Bell Laboratories) in den Transistormarkt ein.

Teal brachte neue Fähigkeiten mit, die er in den Laboratorien erlernt hatte: die Fähigkeit, zu wachsen und legieren Silizium-Monokristalle. Die offensichtlichste Schwäche des Germaniums war seine Empfindlichkeit gegenüber Temperatur. Bei Wärmeeinwirkung gaben die Germaniumatome im Kristall schnell freie Elektronen ab, und es verwandelte sich zunehmend in einen Leiter. Bei 77 °C hörte es überhaupt auf zu funktionieren wie ein Transistor. Das Hauptziel des Transistorverkaufs waren die Streitkräfte – ein potenzieller Kunde mit geringer Preissensibilität und enormem Bedarf an stabilen, zuverlässigen und kompakten elektronischen Komponenten. Allerdings wäre temperaturempfindliches Germanium in vielen militärischen Anwendungen, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, unbrauchbar gewesen.

Silizium war viel stabiler, jedoch musste man einen deutlich höheren Schmelzpunkt in Kauf nehmen, der mit dem Schmelzpunkt von Stahl vergleichbar war. Das stellte enorme Herausforderungen dar, da für die Herstellung von hochwertigen Transistoren sehr reine Kristalle benötigt wurden. Geschmolzenes Silizium würde Verunreinigungen aus jedem Tiegel aufnehmen, in dem es sich befand. Thill und sein Team bei TI konnten diese Schwierigkeiten mit Hilfe von hochreinen Siliziumproben von DuPont überwinden. Im Mai 1954 demonstrierte Thill auf der Konferenz des Institute of Radio Engineers in Dayton (Ohio), dass die neuen Siliziumbauelemente, die in seinem Labor hergestellt wurden, auch im heißen Öl getaucht weiterhin funktionierten.

Erfolgreiche Aufsteiger

Schließlich, etwa sieben Jahre nach der ersten Erfindung des Transistors, konnte er aus dem Material hergestellt werden, mit dem er zum Synonym wurde. Und es würde noch etwa so lange dauern, bis Transistoren in grober Ähnlichkeit zu der Form auftauchten, die wir in unseren Mikrochips und Speicherchips verwenden.

Im Jahr 1955 gelang es Wissenschaftlern der Bell Labs, Siliziumtransistoren mit einer neuen Legierungstechnologie erfolgreich herzustellen – anstatt feste Partikel von Verunreinigungen in die flüssige Schmelze hinzuzufügen, wurden gasförmige Zusätze in die feste Oberfläche des Halbleiters implantiert (Thermodiffusion). Durch sorgfältige Kontrolle von Temperatur, Druck und Dauer des Verfahrens erreichten sie genau die erforderliche Tiefe und den Grad der Dotierung. Eine verstärkte Kontrolle des Produktionsprozesses führte zu einer verbesserten Kontrolle der elektrischen Eigenschaften des Endprodukts. Was ebenfalls wichtig ist, die Thermodiffusion ermöglichte die Produktion in Chargen – man konnte eine große Siliziumscheibe dotieren und diese dann in Transistoren schneiden. Das Militär finanzierte die Bell Labs, da für die Organisation der Produktion hohe Vorabkosten erforderlich waren. Sie benötigten ein neues Produkt für die Ultrahochfrequenzlinie des frühen Radarerkennungssystems (Dew Line(«), einer Kette arktischer Radarstationen, die zur Erkennung sowjetischer Bomber gedacht waren, die vom Nordpol kamen, und sie waren bereit, $100 pro Transistor zu zahlen (es waren Zeiten, in denen man ein neues Auto für $2000 kaufen konnte).

Legierung zusammen mit Fotolithografie, die die Anordnung der Verunreinigungen steuerte, eröffnete die Möglichkeit, die gesamte Kontur auf einem einzigen Halbleiterträger zu ätzen – gleichzeitig hatten Fairchild Semiconductor und Texas Instruments 1959 denselben Gedanken.Die planar Technologievon Fairchild verwendete chemische Abscheidung von Metallfilmen, um die elektrischen Kontakte des Transistors zu verbinden. Dadurch entfiel die Notwendigkeit, die Verdrahtung manuell zu erstellen, die Produktionskosten wurden gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht.

Schließlich brachten 1960 zwei Ingenieure aus Bell Labs (John Atalla und Devon Kahn) das ursprüngliche Konzept von Shockley für den Feldeffekttransistor zur Umsetzung. Eine dünne Schicht Oxid auf der Oberfläche des Halbleiters konnte Oberflächenzustände effektiv unterdrücken, sodass das elektrische Feld vom Aluminium-Gitter in das Silizium eindringen konnte. So entstand der MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (oder MOS-Struktur, von Metall-Oxid-Halbleiter), der sich so leicht miniaturisieren ließ und der bis heute in fast allen modernen Computern verwendet wird (interessanterweise stammte Atalla aus Ägypten und Kahn aus Südkorea, und praktisch nur diese beiden Ingenieure haben in unserer gesamten Geschichte keine europäischen Wurzeln).

Dreizehn Jahre nach der Erfindung des ersten Transistors erschien schließlich etwas, das dem Transistor Ihres Computers ähnlich ist. Er war einfacher herzustellen, verbrauchte weniger Energie als der Planartransistor, reagierte jedoch ziemlich langsam auf Signale. Erst nach der Verbreitung großer integrierter Schaltungen mit Hunderten oder Tausenden von Komponenten, die auf einem einzigen Chip untergebracht waren, traten die Vorteile der Feldeffekttransistoren in den Vordergrund.

Illustration aus dem Patent für den Feldeffekttransistor

Der Feldeffekt war der letzte bedeutende Beitrag der Bell Laboratories zur Entwicklung des Transistors. Große Elektronikhersteller wie die Bell Laboratories (mit ihrem Western Electric), General Electric, Sylvania und Westinghouse haben eine beeindruckende Menge an Forschung zu Halbleitern betrieben. Zwischen 1952 und 1965 haben die Bell Laboratories über zweihundert Patente zu diesem Thema registriert. Dennoch hat der kommerzielle Markt schnell die Vorherrschaft an neue Akteure wie Texas Instruments, Transitron und Fairchild übergeben.

Der frühe Transistormarkt war zu klein, um die Aufmerksamkeit großer Akteure auf sich zu ziehen: etwa 18 Millionen Dollar pro Jahr Mitte der 1950er Jahre, im Vergleich zu einem Gesamtvolumen des Elektronikmarktes von 2 Milliarden Dollar. Die Forschungsabteilungen dieser Giganten dienten jedoch als unbeabsichtigte Trainingslager, in denen junge Wissenschaftler Wissen über Halbleiter aufnahmen, um später ihre Dienstleistungen kleineren Firmen anzubieten. Als der Markt für Röhrenelektronik Mitte der 1960er Jahre ernsthaft schrumpfte, war es für die Bell Laboratories, Westinghouse und andere bereits zu spät, um mit den Newcomern zu konkurrieren.

Der Übergang der Computer zu Transistoren

In den 1950er Jahren drangen Transistoren in die Welt der Elektronik in vier bedeutenden Bereichen vor. Die ersten beiden waren Hörgeräte und tragbare Radiogeräte, bei denen der niedrige Energieverbrauch und damit die lange Batterielebensdauer die anderen Überlegungen übertrafen. Der dritte Bereich war der militärische Einsatz. Die US-Armee setzte große Hoffnungen in Transistoren als zuverlässige und kompakte Komponenten, die überall eingesetzt werden konnten, von tragbaren Radios bis zu ballistischen Raketen. In der Anfangszeit glich ihr Aufwand für Transistoren jedoch eher einer Wette auf zukünftige Technologien als einer Bestätigung ihres damaligen Wertes. Schließlich gab es noch die digitalen Berechnungen.

Im Bereich der Computertechnologie waren die Mängel von Schaltern mit Elektronenröhren gut bekannt, und einige Skeptiker hielten es vor dem Krieg sogar für unmöglich, einen elektronischen Computer als praktisches Gerät zu realisieren. Als Tausende von Röhren in einem Gerät zusammengebaut wurden, verbrauchten sie enorme Mengen an Energie und erzeugten eine große Menge an Wärme, und hinsichtlich der Zuverlässigkeit konnte man sich nur auf ihr regelmäßiges Durchbrennen verlassen. Deshalb wurde der transistorbasierte Schalter, der wenig Strom verbraucht, kühl und keinen Draht hat, zum Retter der Computerhersteller. Seine Nachteile als Verstärker (zum Beispiel ein lauterer Ausgangssignal) waren bei der Verwendung als Schalter kein großes Problem. Das einzige Hindernis war die Kosten, und irgendwann würden diese drastisch sinken.

Alle frühen amerikanischen Experimente mit Transistorcomputern fanden an der Schnittstelle des Interesses der Militärs statt, das Potenzial dieser vielversprechenden neuen Technologie zu erforschen, und dem Wunsch der Ingenieure, auf verbesserte Schalter umzusteigen.

Im Bell Labor wurde 1954 TRADIC für die US Air Force gebaut, um zu testen, ob Transistoren die Möglichkeit bieten, einen digitalen Computer an Bord eines Bombers zu installieren und damit die analoge Navigation und Zielsuche zu ersetzen. Das Lincoln Laboratory des MIT entwickelte 1956 den TX-0-Computer im Rahmen eines umfangreichen Luftraumüberwachungsprojekts. Die Maschine verwendete eine weitere Variante des Transistors, den Oberflächen-Barrietransistor, der gut für Hochgeschwindigkeitsberechnungen geeignet war. Philco baute seinen Computer SOLO im Auftrag der Marine (tatsächlich auf Anfrage der NSA) und schloss ihn 1958 ab (unter Verwendung einer weiteren Variante des Oberflächen-Barrietransistors).

In Westeuropa, das während des Kalten Krieges nicht so ressourcenausstattet war, war die Geschichte ganz anders. Maschinen wie der Manchester Transistor Computer, Harwell CADET (ein weiteres von dem Projekt ENIAC inspiriertes und rückwärts geschriebenes Akronym) und der österreichische Mailüfterl waren Nebenprojekte, die Ressourcen verwendeten, die ihre Schöpfer auftrieben konnten – einschließlich der ersten Generation von Transistoren mit einem Kontaktpunkt.

Es gibt viele Diskussionen über den Titel des ersten Computers, der Transistoren verwendete. Letztendlich hängt alles von der Wahl der richtigen Definitionen für Wörter wie „erster“, „transistorbasiert“ und „Computer“ ab. In jedem Fall ist bekannt, wo die Geschichte endet. Die Kommerzialisierung transistorbasierter Computer begann fast sofort. Jahr für Jahr wurden Computer zum gleichen Preis leistungsfähiger, während Computer mit ähnlicher Leistung billiger wurden, und dieser Prozess schien so unaufhaltsam zu sein, dass man ihn als Gesetz neben die Schwerkraft und den Energieerhaltungssatz erhob. Müssen wir darüber streiten, welcher Stein der erste im Chaos war?

Woher stammt das Moore-Gesetz?

Wenn wir uns dem Ende der Geschichte des Schalters nähern, sollte die Frage gestellt werden: Was führte zu diesem Kollaps? Warum gibt es das Moore-Gesetz (oder gab es – lassen Sie uns darüber ein anderes Mal diskutieren)? Für Flugzeuge oder Staubsauger gibt es kein Moore-Gesetz, genauso wie es keins für Elektronenröhren oder Relais gibt.

Die Antwort besteht aus zwei Teilen:

1. Die logischen Eigenschaften des Schalters als Kategorie von Artefakten.
2. Die Möglichkeit, rein chemische Prozesse zur Herstellung von Transistoren zu nutzen.

Zuallererst zur Natur des Schalters. Die Eigenschaften der meisten Artefakte müssen eine breite Palette unaufhaltsamer physikalischer Einschränkungen erfüllen. Ein Passagierflugzeug muss das Gesamtgewicht vieler Menschen tragen können. Ein Staubsauger muss in der Lage sein, eine bestimmte Menge Schmutz in einer bestimmten Zeit von einer bestimmten physikalischen Fläche aufzusaugen. Flugzeuge und Staubsauger wären nutzlos, wenn man sie auf Nanoskalen verkleinert.

Der Schalter hingegen – ein automatischer Schalter, den niemals eine menschliche Hand berührt hat – hat viel weniger physikalische Einschränkungen. Er muss zwei verschiedene Zustände haben und in der Lage sein, anderen ähnlichen Schaltern den Wechsel ihres Zustands mitzuteilen. Das heißt, alles, was er können muss, ist, ein- und auszuschalten. Was ist also das Besondere an Transistoren? Warum haben andere Arten digitaler Schalter keine derartigen exponentiellen Verbesserungen erfahren?

Hier kommen wir zu dem zweiten Fakt. Transistoren können durch chemische Prozesse ohne mechanische Eingriffe hergestellt werden. Von Anfang an war die Anwendung chemischer Verunreinigungen ein entscheidendes Element in der Transistorproduktion. Dann erschien der planare Prozess, der den letzten mechanischen Schritt aus der Herstellung beseitigte – das Anbringen von Drähten. Dadurch wurde die letzte physikalische Einschränkung für die Miniaturisierung aufgehoben. Transistoren mussten nicht mehr groß genug für menschliche Finger oder mechanische Geräte sein. Alles wurde durch einfache Chemie in unvorstellbar kleinem Maßstab erledigt: Säure zum ätzen, Licht zur Steuerung dessen, welche Teile der Oberfläche dem Ätzen widerstehen, und Dämpfe zur Einspeisung von Verunreinigungen und metallischen Filmen auf die geätzten Leiterbahnen.

Warum ist Miniaturisierung überhaupt nötig? Die Verkleinerung der Größe hatte eine ganze Reihe angenehmer Nebeneffekte: erhöhte Schaltgeschwindigkeit, verringerter Energieverbrauch und niedrigere Kosten pro Einheit. Diese starken Anreize trieben alle dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, die Schalter weiter zu verkleinern. Und die Halbleiterindustrie hat im Laufe eines Menschenlebens den Übergang von der Herstellung von Schaltern in der Größe eines Fingernagels zur Verpackung von Dutzenden Millionen Schaltern pro Quadratmillimeter vollzogen. Von einem Preis von acht Dollar pro Schalter bis hin zu Angeboten von zwanzig Millionen Schaltern für einen Dollar.

Der Intel 1103 Speichermchip von 1971. Einzelne Transistoren von nur wenigen Dutzend Mikrometern sind bereits mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen. Und seitdem haben sie sich noch tausendfach verkleinert.

Was sonst noch zu lesen:

• Ernest Bruan und Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
• Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Joel Shurkin, Broken Genius (1997)

Quelle: habr.com