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Durante más de un siglo, un perro analógico movió la cola digital. Los intentos de expandir las capacidades de nuestros sentidos: la vista, el oído, y incluso, en cierto sentido, el tacto, llevaron a ingenieros y científicos a buscar mejores componentes para el telégrafo, el teléfono, la radio y los radares. Solo por una feliz casualidad, estas búsquedas descubrieron el camino hacia la creación de nuevos tipos de máquinas digitales. Y decidí contar la historia de esta constante , durante la cual los ingenieros de telecomunicaciones suministraron materiales básicos para las primeras computadoras digitales, y a veces incluso diseñaron y construyeron estas computadoras por sí mismos.
Pero hacia la década de 1960, esta fecunda colaboración llegó a su fin, y con ella, mi historia. Los fabricantes de equipos digitales ya no necesitaban mirar al mundo del telégrafo, el teléfono y la radio en busca de nuevos y mejores interruptores, ya que el propio transistor proporcionó una fuente inagotable de mejoras. Año tras año, profundizaron cada vez más, siempre encontrando formas de aumentar exponencialmente la velocidad de operación y reducir costos.
Sin embargo, nada de esto habría ocurrido si el invento del transistor se hubiera limitado a .
Un comienzo lento
En la prensa popular no hubo un entusiasmo activo en relación con el anuncio de los laboratorios Bell sobre la invención del transistor. El 1 de julio de 1948, The New York Times le dedicó a este evento tres párrafos al final de la sección de "Noticias de radio". De hecho, esta noticia apareció después de otras, que evidentemente se consideraban más importantes: por ejemplo, un programa de radio sobre relojes titulado "La hora del vals", que iba a emitirse en NBC. Con el tiempo, quizás queramos reírnos o incluso reprochar a los autores desconocidos: ¿cómo no pudieron reconocer un evento que cambió el mundo?
Pero la mirada hacia el pasado distorsiona la percepción, amplificando aquellos señales cuya importancia conocemos, aunque en ese momento se perdían en un mar de ruido. El transistor de 1948 era muy diferente de los transistores de las computadoras, en uno de los cuales estás leyendo este artículo (si no has decidido imprimirlo). Eran tan diferentes que, a pesar de tener el mismo nombre y de estar conectados por una línea continua de herencia, deben considerarse diferentes especies, si no diferentes géneros. Tienen composiciones diferentes, estructuras diferentes, principios de funcionamiento diferentes, sin mencionar la gigantesca diferencia en tamaños. Solo gracias a los constantes reinvenciones, el torpe dispositivo construido por Bardin y Brattain logró transformar el mundo y nuestras vidas.
De hecho, el transistor de germanio con un solo punto de contacto no merecía más atención de la que recibió. Tenía varios defectos heredados de la válvula electrónica. Ciertamente, era mucho más pequeño que las válvulas más compactas. La falta de filamento incandescente significaba que producía menos calor, consumía menos energía, no se quemaba y no requería precalentamiento antes de su uso.
Sin embargo, la acumulación de suciedad en la superficie de contacto provocaba fallas y anulaba el potencial de una vida útil más larga; daba una señal más ruidosa; funcionaba solo a bajas potencias y en un rango de frecuencias estrecho; fallaba bajo calor, frío o humedad; y no podía producirse de manera uniforme. Varios transistores, fabricados de la misma manera por las mismas personas, tendrían características eléctricas sorprendentemente diferentes. Y todo esto venía con un costo ocho veces mayor que el de una válvula estándar.
Solo en 1952 los laboratorios Bell (y otros propietarios de la patente) resolvieron lo suficiente de los problemas de producción para que los transistores de un solo punto de contacto se convirtieran en dispositivos prácticos, y aún así no se extendieron mucho más allá del mercado de los audífonos, donde la sensibilidad al precio era relativamente baja y las ventajas en cuanto a la duración de la batería superaban las desventajas.
Sin embargo, ya comenzaron los primeros intentos de convertir el transistor en algo mejor y más útil. En realidad, comenzaron mucho antes de que el público supiera de su existencia.
Las ambiciones de Shockley
A finales de 1947, Bill Shockley viajó emocionado a Chicago. Tenía ideas vagas sobre cómo superar el recientemente inventado transistor de Bardeen y Brattain, pero no había tenido la oportunidad de desarrollarlas. Por lo tanto, en lugar de disfrutar de un descanso entre etapas de trabajo, pasó la Navidad y el Año Nuevo en un hotel, llenando alrededor de 20 páginas de cuaderno con sus ideas. Entre ellas había una propuesta para un nuevo transistor, que consistía en un sándwich de semiconductores: una rebanada de germanio tipo p entre dos piezas de tipo n.
Alimentado por la existencia de tal as bajo la manga, Shockley presentó quejas a Bardeen y Brattain a su regreso a Murray Hill, exigiendo todo el crédito por la invención del transistor. ¿No fue su idea sobre el efecto de campo la que hizo que Bardeen y Brattain se encerraran en el laboratorio? ¿No debería esto significar que todos los derechos de patente le pertenecieran a él? Sin embargo, su astucia le salió cara: los abogados de patentes de los laboratorios Bell descubrieron que un inventor desconocido, , patentó un amplificador semiconductor basado en el efecto de campo casi 20 años antes, en 1930. Lilienfeld, por supuesto, nunca llevó a cabo su idea, dada la calidad de los materiales en ese momento, pero el riesgo de una superposición era demasiado alto: era mejor evitar completamente mencionar el efecto de campo en la patente.
Así que, aunque los laboratorios Bell le otorgaron a Shockley una generosa parte de la fama de inventor, en la patente solo mencionaron a Bardeen y Brattain. Sin embargo, lo hecho, hecho está: las ambiciones de Shockley destruyeron su relación con los dos subordinados. Bardeen dejó de trabajar en el transistor y se centró en la superconductividad. Salió de los laboratorios en 1951. Brattain permaneció allí, pero se negó a volver a trabajar con Shockley y exigió un traslado a otro grupo.
Debido a su incapacidad para trabajar con otros, Shockley no avanzó en los laboratorios y, por ello, también se fue de allí. En 1956 regresó a casa en Palo Alto para fundar su propia empresa de fabricación de transistores, Shockley Semiconductor. Antes de irse, se separó de su esposa, Jean, mientras ella se recuperaba de un cáncer de útero, y se emparejó con Emmy Lenning, con quien pronto se casó. Sin embargo, de las dos partes de su sueño californiano, la nueva empresa y la nueva esposa, solo se cumplió una. En 1957, sus mejores ingenieros, enojados con su estilo de gestión y la dirección en la que llevaba la empresa, se marcharon para fundar una nueva firma, Fairchild Semiconductor.
Shockley en 1956
Así que Shockley abandonó la vacía cáscara de su empresa y se unió al departamento de ingeniería eléctrica en Stanford. Allí continuó alejando a sus colegas (y a su viejo amigo, el físico ) con teorías que le interesaban sobre la degeneración racial y – temas que no eran populares en EE. UU. desde el final de la última guerra, especialmente en círculos académicos. Encontraba placer en desatar controversias, avivar a los medios y provocar protestas. Murió en 1989, alejado de sus hijos y colegas, visitado solo por su eternamente devota segunda esposa, Emmy.
Aunque sus miserables intentos en el mundo empresarial fracasaron, Shockley sembró la semilla en suelo fértil. El área de la bahía de San Francisco dio a luz a muchas pequeñas empresas de electrónica, favorecidas por el financiamiento del gobierno federal durante la guerra. Fairchild Semiconductor, un vástago accidental de Shockley, generó decenas de nuevas empresas, algunas de las cuales aún son conocidas hoy: Intel y Advanced Micro Devices (AMD). A principios de los años 70, esta área había ganado el despectivo apodo de 'Valle del Silicio'. Pero, un momento, Bardin y Brethein crearon el transistor de germanio. ¿De dónde salió el silicio?
Así era el lugar abandonado en Mountain View en 2009, donde anteriormente estaba Shockley Semiconductor. Hoy, el edificio ha sido demolido.
Al cruce de silicio
El destino de un nuevo tipo de transistor, ideado por Shockley en un hotel de Chicago, fue mucho más afortunado que el de su inventor. Todo gracias a la determinación de un hombre por cultivar cristales semiconductores puros y homogéneos. Gordon Teal, un químico físico de Texas que estudiaba el germanio, que en aquel entonces no tenía utilidad, comenzó a trabajar en los laboratorios Bell en los años 30. Al enterarse del transistor, se convenció de que su fiabilidad y potencia podrían mejorarse significativamente al crearlo a partir de un monocristal puro, en lugar de las mezclas policristalinas que se utilizaban entonces. Shockley rechazó sus intentos, considerándolos un desperdicio de recursos.
Sin embargo, Teal perseveró y logró el éxito, creando un dispositivo junto al ingeniero mecánico John Little para extraer un diminuto embrión de cristal del germanio fundido. Al enfriarse alrededor del embrión, el germanio expandía su estructura cristalina, creando una red semiconductora continua y casi pura. Para la primavera de 1949, Teal y Little podían fabricar cristales por encargo, y las pruebas mostraron que dejaban muy atrás a sus competidores policristalinos. En particular, los portadores no fundamentales añadidos podían sobrevivir en su interior un centenar de microsegundos o incluso más (en comparación con no más de diez microsegundos en otras muestras de cristales).
Ahora, Teal podía permitirse más recursos e incorporó a más personas a su equipo, entre ellas a otro químico físico que había llegado a los laboratorios Bell desde Texas: Morgan Sparks. Comenzaron a cambiar la fusión para fabricar germanio tipo p o tipo n, añadiendo bolitas de los correspondientes dopantes. Al cabo de un año, perfeccionaron la tecnología hasta el punto de que podían cultivar un sándwich de germanio n-p-n directamente en la fusión. Y funcionaba exactamente como predijo Shockley: la señal eléctrica del material tipo p modulaba la corriente eléctrica entre dos conductores conectados a los trozos de tipo n que lo rodeaban.
Morgan Sparks y Gordon Teal en la mesa de trabajo en los laboratorios Bell
Este transistor con unión cultivada superó a su predecesor con contacto puntual en casi todos los aspectos. En particular, se volvió más confiable y predecible, generando mucho menos ruido (y, por lo tanto, siendo más sensible), y extremadamente eficiente en energía, consumiendo un millón de veces menos energía que una lámpara electrónica típica. En julio de 1951, los laboratorios Bell organizaron otra conferencia de prensa para anunciar el nuevo invento. Incluso antes de que el primer transistor pudiera salir al mercado, ya se había vuelto en esencia irrelevante.
Y sin embargo, esto era solo el comienzo. En 1952, General Electric (GE) anunció el desarrollo de un nuevo proceso para la creación de transistores con unión, un método de aleación. En este, dos esferas de indio (donante tipo p) se aliaban por ambos lados de un delgado corte de germanio tipo n. Este proceso era más simple y barato que el cultivo de uniones en aleación, y dicho transistor ofrecía menor resistencia y soportaba mayores frecuencias.
Transistores cultivados y de aleación
Al año siguiente, Gordon Teal decidió regresar a su estado natal y consiguió trabajo en Texas Instruments (TI) en Dallas. La empresa fue fundada con el nombre de Geophysical Services, Inc., y al principio fabricaba equipos para la exploración de yacimientos de petróleo; TI abrió un departamento de electrónica durante la guerra y ahora se adentraba en el mercado de transistores con licencia de Western Electric (la división de fabricación de los laboratorios Bell).
Teal trajo consigo nuevas habilidades adquiridas en los laboratorios: la capacidad de cultivar y monocristales de silicio. La debilidad más evidente del germanio era su sensibilidad a la temperatura. Al exponerse al calor, los átomos de germanio en el cristal rápidamente liberaban electrones libres, volviéndose cada vez más un conductor. A 77 °C, dejaba de funcionar como transistor. El principal objetivo de ventas de los transistores eran las fuerzas armadas, un consumidor potencial con baja sensibilidad al precio y una gran necesidad de componentes electrónicos estables, confiables y compactos. Sin embargo, el germanio sensible a la temperatura no sería útil en muchos casos de aplicaciones militares, especialmente en el ámbito aeroespacial.
El silicio era mucho más estable, pero tenía el alto punto de fusión comparable al del acero. Esto presentaba enormes dificultades, dado que para crear transistores de alta calidad se necesitaban cristales muy puros. El silicio fundido caliente podría absorber impurezas de cualquier crisol en el que estuviera. Til y su equipo de TI lograron superar estos problemas utilizando muestras de silicio ultra-puras de DuPont. En mayo de 1954, en la conferencia del Instituto de Ingenieros en Radio de Dayton (Ohio), Til demostró que los nuevos dispositivos de silicio fabricados en su laboratorio continuaban funcionando incluso cuando estaban sumergidos en aceite caliente.
Triunfadores exitosos
Finalmente, aproximadamente siete años después de la invención inicial del transistor, se pudo fabricar con el material que se convirtió en su sinónimo. Y pasaría aproximadamente el mismo tiempo hasta que aparecieran transistores que se asemejan a la forma que utilizamos en nuestros microprocesadores y chips de memoria.
En 1955, científicos de Bell Labs aprendieron con éxito a hacer transistores de silicio utilizando una nueva tecnología de dopaje; en lugar de añadir partículas sólidas de impurezas al líquido fundido, introducían aditivos gaseosos en la superficie sólida del semiconductor (). Al controlar cuidadosamente la temperatura, la presión y la duración del proceso, lograban la profundidad y grado de dopaje exactos. Un mayor control sobre el proceso de fabricación permitió un control amplificado sobre las propiedades eléctricas del producto final. Además, la difusión térmica permitió la producción por lotes: se podía dopar una gran placa de silicio y luego cortarla en transistores. Las fuerzas armadas financiaron los laboratorios de Bell, ya que la organización de la producción requería altos costos iniciales. Necesitaban un nuevo producto para líneas de detección de radar de ultra alta frecuencia («), en una cadena de estaciones de radar ártico, diseñadas para detectar bombarderos soviéticos que llegan desde el Polo Norte, y estaban dispuestos a pagar $100 por transistor (eran tiempos en que se podía comprar un coche nuevo por $2000).
La aleación junto con , que controlaba la ubicación de las impurezas, abrió la posibilidad de grabar todo el contorno de una sola vez en un sustrato semiconductor; antes de esto, Fairchild Semiconductor y Texas Instruments llegaron a esta idea simultáneamente en 1959. «» de Fairchild utilizaba el depósito químico de películas metálicas, conectando los contactos eléctricos del transistor. Eliminaba la necesidad de crear cableado a mano, reducía los costos de producción y aumentaba la fiabilidad.
Finalmente, en 1960, dos ingenieros de los laboratorios Bell (John Atalla y Devon Kane) implementaron el concepto original de Shockley del transistor de efecto de campo. Una delgada capa de óxido en la superficie del semiconductor pudo suprimir de manera efectiva los estados superficiales, lo que permitió que el campo eléctrico del electrodo de aluminio penetrara en el silicio. Así nació el MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (o estructura MOS, de metal-óxido-semiconductor), que resultó ser tan fácil de miniaturizar y que todavía se utiliza en casi todas las computadoras modernas (interesante es que Atalla era de Egipto y Kane de Corea del Sur, y prácticamente solo estos dos ingenieros de toda nuestra historia no tienen raíces europeas).
Finalmente, trece años después de la invención del primer transistor, apareció algo que se parecía al transistor de su computadora. Era más fácil de fabricar, utilizaba menos energía que el transistor plano, sin embargo, respondía bastante lentamente a las señales. Solo después de que se propagaran los circuitos integrados grandes con cientos o miles de componentes colocados en un solo chip, las ventajas de los transistores de efecto de campo surgieron.
Ilustración del patente para el transistor de efecto de campo
El efecto de campo se convirtió en la última contribución significativa de los laboratorios Bell en el desarrollo del transistor. Grandes fabricantes de electrónica, como los laboratorios Bell (con su Western Electric), General Electric, Sylvania y Westinghouse, acumulaban un impresionante volumen de investigaciones sobre semiconductores. Desde 1952 hasta 1965, solo los laboratorios Bell registraron más de doscientos patentes sobre este tema. Sin embargo, el mercado comercial rápidamente pasó a manos de nuevos jugadores como Texas Instruments, Transitron y Fairchild.
El mercado temprano de transistores era demasiado pequeño para atraer la atención de los grandes actores: alrededor de $18 millones al año a mediados de la década de 1950, en comparación con un volumen total del mercado de electrónica de $2 mil millones. Sin embargo, los laboratorios de investigación de estos gigantes servían como campos de entrenamiento no intencionados, donde jóvenes científicos podían absorber conocimientos sobre semiconductores para luego ofrecer sus servicios a empresas más pequeñas. Cuando el mercado de la electrónica de válvulas comenzó a reducirse seriamente a mediados de la década de 1960, ya era demasiado tarde para los laboratorios Bell, Westinghouse y otros para competir con los nuevos emergentes.
La transición de las computadoras a transistores
En la década de 1950, los transistores invadieron el mundo de la electrónica en cuatro áreas significativas. Las dos primeras fueron los audífonos y las radios portátiles, donde el bajo consumo de energía y, como consecuencia, la larga duración de la batería superaron otras consideraciones. La tercera fue el uso militar. El ejército de los Estados Unidos depositaba grandes esperanzas en los transistores como componentes fiables y compactos que podían usarse en todo, desde radios de campo hasta misiles balísticos. Sin embargo, al principio, sus gastos en transistores se asemejaban más a una apuesta por el futuro de la tecnología que a una confirmación de su valor en aquel entonces. Y, por último, también estaban los cálculos digitales.
En el ámbito de la informática, las desventajas de los interruptores de válvulas electrónicas eran bien conocidas, y algunos escépticos antes de la guerra incluso pensaban que sería imposible hacer del ordenador electrónico un dispositivo práctico. Cuando miles de válvulas se reunían en un solo dispositivo, consumían mucha energía, produciendo una enorme cantidad de calor, y en términos de fiabilidad solo se podía confiar en su quema regular. Por eso, el transistor, que consumía poco, era frío y no tenía filamento, se convirtió en el salvador de los fabricantes de computadoras. Sus desventajas como amplificador (por ejemplo, una señal de salida más ruidosa) no representaban un gran problema cuando se utilizaba como interruptor. El único obstáculo era su costo, que en su momento comenzaría a caer drásticamente.
Todos los primeros experimentos estadounidenses con computadoras de transistores se llevaron a cabo en la intersección del deseo militar de explorar el potencial de esta prometedora nueva tecnología y del deseo de los ingenieros de pasar a interruptores mejorados.
En los laboratorios Bell, en 1954, se construyó el TRADIC para la Fuerza Aérea de EE. UU., para ver si los transistores permitirían colocar una computadora digital a bordo de un bombardero, reemplazando la navegación analógica y ayudando en la búsqueda de objetivos. El Laboratorio Lincoln del MIT desarrolló la computadora TX-0 como parte de un extenso proyecto de defensa aérea en 1956. La máquina utilizaba otra variante de transistor, de barrera superficial, que era muy adecuada para cálculos de alta velocidad. Philco construyó su computadora SOLO bajo contrato con la Marina (aunque en realidad a petición de la NSA), terminándola en 1958 (utilizando otra variante de transistor de barrera superficial).
En Europa Occidental, que no contaba con tantos recursos durante la Guerra Fría, la historia era muy diferente. Máquinas como el Manchester Transistor Computer, (otro nombre inspirado en el proyecto ENIAC, y que se cifró escribiéndolo al revés), y el austriaco eran proyectos secundarios que utilizaban los recursos que sus creadores podían reunir, incluyendo transistores de primer generación con un único punto de contacto.
Hay muchas discusiones sobre cuál fue el primer ordenador que utilizó transistores. Todo se reduce, por supuesto, a la elección de las definiciones correctas de palabras como "primero", "transistor" y "ordenador". De todos modos, se sabe dónde termina la historia. La comercialización de ordenadores basados en transistores comenzó casi de inmediato. Año tras año, los ordenadores por el mismo precio se volvían cada vez más potentes, y los ordenadores de la misma potencia se volvían cada vez más baratos, un proceso que parecía tan ineludible que se elevó a la categoría de ley, al igual que la gravedad y la conservación de la energía. ¿Necesitamos discutir qué pedacito fue el primero en caer?
¿De dónde proviene la ley de Moore?
Al acercarnos al final de la historia del conmutador, vale la pena plantear la pregunta: ¿qué llevó a la aparición de esta caída? ¿Por qué existe (o existía) la ley de Moore? No existe tal ley para aviones o aspiradoras, ni para válvulas electrónicas o relés.
La respuesta se compone de dos partes:
- Las propiedades lógicas del conmutador como categoría de artefacto.
- La posibilidad de utilizar procesos químicos puramente para la fabricación de transistores.
Empecemos con la esencia del conmutador. Las propiedades de la mayoría de los artefactos deben satisfacer una amplia gama de ineludibles limitaciones físicas. Un avión de pasajeros debe soportar el peso total de muchas personas. Una aspiradora debe ser capaz de succionar una cantidad determinada de suciedad en un tiempo determinado con una determinada área física. Los aviones y las aspiradoras serían inútiles si se reducen a la escala nanométrica.
En cambio, el conmutador –un conmutador automático que nunca ha sido tocado por la mano humana– tiene muchas menos limitaciones físicas. Debe tener dos estados diferentes, y debe ser capaz de comunicar a otros conmutadores similares el cambio de sus estados. Es decir, todo lo que tiene que hacer es encenderse y apagarse. ¿Qué hay de especial en los transistores? ¿Por qué otros tipos de conmutadores digitales no han experimentado mejoras exponenciales?
Aquí llegamos al segundo hecho. Los transistores se pueden fabricar mediante procesos químicos sin intervención mecánica. Desde el principio, el elemento clave en la producción de transistores ha sido la aplicación de impurezas químicas. Luego apareció el proceso planar, eliminando el último paso mecánico de la producción: la conexión de cables. Como resultado, se deshizo de la última limitación física a la miniaturización. Los transistores ya no tenían que ser lo suficientemente grandes para los dedos humanos o para cualquier dispositivo mecánico. Todo lo hacía una simple química, a una escala inconcebiblemente pequeña: ácido para el grabado, luz para controlar qué partes de la superficie resistirían el grabado y vapores para introducir impurezas y películas metálicas en las pistas grabadas.
¿Y por qué es necesaria la miniaturización? La reducción del tamaño ofrecía toda una serie de agradables efectos secundarios: aumento de la velocidad de conmutación, reducción del consumo de energía y disminución del costo de cada unidad. Estos poderosos incentivos impulsaron a todos a buscar formas de reducir aún más los interruptores. Y la industria de semiconductores, a lo largo de la vida de una persona, pasó de fabricar interruptores del tamaño de una uña a empaquetar decenas de millones de interruptores por milímetro cuadrado. De pedir ocho dólares por un interruptor a ofrecer veinte millones de interruptores por un dólar.
Chip de memoria Intel 1103 de 1971. Los transistores individuales, del tamaño de solo decenas de micrómetros, ya son indiscernibles a simple vista. Y desde entonces han disminuido aún mil veces más.
Lecturas recomendadas:
- Ernest Bruan y Stuart MacDonald, Revolución en Miniatura (1978)
- Michael Riordan y Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Fuente: habr.com
