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Durante más de cien años, el perro analógico ha estado moviendo su cola digital. Los intentos de ampliar las capacidades de nuestros sentidos (visión, oído e incluso, en cierto sentido, tacto) llevaron a ingenieros y científicos a buscar mejores componentes para telégrafos, teléfonos, radios y radares. Fue sólo por pura suerte que esta búsqueda descubrió el camino hacia la creación de nuevos tipos de máquinas digitales. Y decidí contar la historia de esta constante. , durante el cual los ingenieros de telecomunicaciones suministraron las materias primas para las primeras computadoras digitales y, en ocasiones, incluso diseñaron y construyeron esas computadoras ellos mismos.
Pero en la década de 1960, esta fructífera colaboración llegó a su fin, y con ella mi historia. Los fabricantes de equipos digitales ya no tenían que buscar en los mundos del telégrafo, el teléfono y la radio interruptores nuevos y mejorados, ya que el propio transistor proporcionaba una fuente inagotable de mejoras. Año tras año profundizaron más y más, siempre encontrando formas de aumentar exponencialmente la velocidad y reducir los costos.
Sin embargo, nada de esto habría sucedido si la invención del transistor se hubiera detenido en .
Comienzo lento
Hubo poco entusiasmo en la prensa popular por el anuncio de los laboratorios Bell sobre la invención del transistor. El 1 de julio de 1948, The New York Times dedicó tres párrafos al acontecimiento al final de su informe Radio News. Además, esta noticia apareció después de otras, obviamente consideradas más importantes: por ejemplo, el programa de radio de una hora de duración "Waltz Time", que se suponía que iba a aparecer en NBC. En retrospectiva, es posible que queramos reírnos o incluso regañar a los autores desconocidos: ¿cómo es que no reconocieron el evento que puso al mundo patas arriba?
Pero la retrospectiva distorsiona la percepción, amplificando señales cuyo significado sabemos que se perdieron en un mar de ruido en ese momento. El transistor de 1948 era muy diferente de los transistores de las computadoras en las que estás leyendo este artículo (a menos que decidieras imprimirlo). Se diferenciaban tanto que, a pesar del mismo nombre y de la línea ininterrumpida de herencia que los conecta, deberían considerarse especies diferentes, si no géneros diferentes. Tienen diferentes composiciones, diferentes estructuras, diferentes principios operativos, sin mencionar la enorme diferencia de tamaño. Sólo a través de una reinvención constante el torpe dispositivo construido por Bardeen y Brattain pudo transformar el mundo y nuestras vidas.
De hecho, el transistor de germanio de un solo punto no merecía más atención de la que recibió. Tenía varios defectos heredados del tubo de vacío. Por supuesto, era mucho más pequeña que las lámparas más compactas. La ausencia de un filamento caliente significaba que producía menos calor, consumía menos energía, no se quemaba y no requería calentamiento antes de su uso.
Sin embargo, la acumulación de suciedad en la superficie de contacto provocó fallas y anuló la posibilidad de una vida útil más larga; dio una señal más ruidosa; funcionó solo a bajas potencias y en un rango de frecuencia estrecho; falló en presencia de calor, frío o humedad; y no se pudo producir de manera uniforme. Varios transistores creados de la misma manera por las mismas personas tendrían características eléctricas tremendamente diferentes. Y todo esto tuvo un coste ocho veces mayor que el de una lámpara estándar.
No fue hasta 1952 que los Laboratorios Bell (y otros titulares de patentes) resolvieron los problemas de fabricación lo suficiente como para que los transistores de un solo punto se convirtieran en dispositivos prácticos, e incluso entonces no se extendieron mucho más allá del mercado de audífonos, donde la sensibilidad al precio era relativamente baja. ... y los beneficios en términos de duración de la batería superaron las desventajas.
Sin embargo, ya habían comenzado los primeros intentos de convertir el transistor en algo mejor y más útil. De hecho, comenzaron mucho antes del momento en que el público se enteró de su existencia.
Las ambiciones de Shockley
A finales de 1947, Bill Shockley viajó a Chicago lleno de emoción. Tenía ideas vagas sobre cómo vencer al transistor recientemente inventado por Bardeen y Brattain, pero aún no había tenido la oportunidad de desarrollarlas. Entonces, en lugar de disfrutar de un descanso entre etapas de trabajo, pasó Navidad y Año Nuevo en el hotel, llenando unas 20 páginas de un cuaderno con sus ideas. Entre ellos se encontraba una propuesta para un nuevo transistor que consistía en un sándwich semiconductor: una rebanada de germanio tipo p entre dos piezas de tipo n.
Animado por este as bajo la manga, Shockley reclamó a Bardeen y Brattain su regreso a Murray Hill, reclamándose todo el crédito por haber inventado el transistor. ¿No fue su idea del efecto de campo lo que llevó a Bardeen y Brattain al laboratorio? ¿No debería esto hacer necesario transferirle todos los derechos sobre la patente? Sin embargo, el truco de Shockley fracasó: los abogados de patentes de Bell Labs descubrieron que el inventor desconocido, , patentó un amplificador de efecto de campo semiconductor casi 20 años antes, en 1930. Lilienfeld, por supuesto, nunca implementó su idea, dado el estado de los materiales en ese momento, pero el riesgo de superposición era demasiado grande; era mejor evitar por completo mencionar El efecto de campo en patente.
Entonces, aunque Bell Labs le dio a Shockley una generosa parte del crédito del inventor, solo nombraron a Bardeen y Brattain en la patente. Sin embargo, lo hecho no se puede deshacer: las ambiciones de Shockley destruyeron su relación con dos subordinados. Bardeen dejó de trabajar en el transistor y se concentró en la superconductividad. Dejó los laboratorios en 1951. Brattain permaneció allí, pero se negó a volver a trabajar con Shockley e insistió en ser transferido a otro grupo.
Debido a su incapacidad para trabajar con otras personas, Shockley nunca logró ningún progreso en los laboratorios, por lo que también se fue de allí. En 1956, regresó a Palo Alto para iniciar su propia empresa de transistores, Shockley Semiconductor. Antes de irse, se separó de su esposa Jean mientras ella se recuperaba de un cáncer de útero y se involucró con Emmy Lanning, con quien pronto se casó. Pero de las dos mitades de su sueño californiano (una nueva empresa y una nueva esposa), sólo una se hizo realidad. En 1957, sus mejores ingenieros, enojados por su estilo de gestión y la dirección que estaba tomando la empresa, lo abandonaron para fundar una nueva empresa, Fairchild Semiconductor.
Shockley en 1956
Entonces Shockley abandonó el cascarón vacío de su empresa y aceptó un trabajo en el departamento de ingeniería eléctrica de Stanford. Allí siguió enajenándose a sus colegas (y a su amigo más antiguo, el físico ) teorías de la degeneración racial que le interesaban y – temas que han sido impopulares en los Estados Unidos desde el final de la última guerra, especialmente en los círculos académicos. Le gustaba provocar polémicas, agitar a los medios de comunicación y provocar protestas. Murió en 1989, distanciado de sus hijos y colegas, y sólo visitado por su siempre devota segunda esposa, Emmy.
Aunque sus débiles intentos de emprender fracasaron, Shockley había plantado una semilla en un suelo fructífero. El Área de la Bahía de San Francisco produjo muchas pequeñas empresas de electrónica, que recibieron financiación del gobierno federal durante la guerra. Fairchild Semiconductor, descendiente accidental de Shockley, generó docenas de nuevas empresas, algunas de las cuales todavía se conocen hoy: Intel y Advanced Micro Devices (AMD). A principios de la década de 1970, la zona se había ganado el apodo burlón de "Silicon Valley". Pero espera un momento: Bardeen y Brattain crearon el transistor de germanio. ¿De dónde vino el silicio?
Así era el sitio abandonado de Mountain View que anteriormente albergaba Shockley Semiconductor en 2009. Hoy el edificio ha sido demolido.
Hacia la encrucijada del silicio
El destino de un nuevo tipo de transistor, inventado por Shockley en un hotel de Chicago, fue mucho más feliz que el de su inventor. Todo gracias al deseo de un hombre de cultivar cristales semiconductores únicos y puros. Gordon Teal, un químico físico de Texas que había estudiado el entonces inútil germanio para su doctorado, aceptó un trabajo en los Laboratorios Bell en la década de 30. Después de conocer el transistor, se convenció de que su confiabilidad y potencia podrían mejorarse significativamente creándolo a partir de un monocristal puro, en lugar de las mezclas policristalinas que se usaban entonces. Shockley rechazó sus esfuerzos por considerarlos un desperdicio de recursos.
Sin embargo, Teal persistió y logró el éxito, con la ayuda del ingeniero mecánico John Little, creando un dispositivo que extrae una pequeña semilla de cristal del germanio fundido. A medida que el germanio se enfriaba alrededor del núcleo, expandía su estructura cristalina, creando una red semiconductora continua y casi pura. En la primavera de 1949, Teal y Little podían crear cristales por encargo y las pruebas demostraron que estaban muy por detrás de sus competidores policristalinos. En particular, los transportadores menores añadidos a ellos podrían sobrevivir en el interior durante cien microsegundos o incluso más (frente a no más de diez microsegundos en otras muestras de cristal).
Ahora Teal podía permitirse más recursos y reclutó a más personas para su equipo, entre los que se encontraba otro químico físico que llegó a Bell Labs desde Texas: Morgan Sparks. Comenzaron a alterar la masa fundida para producir germanio tipo p o tipo n añadiendo perlas de impurezas apropiadas. En un año, habían mejorado la tecnología hasta tal punto que podían cultivar un sándwich de germanio npn directamente en la masa fundida. Y funcionó exactamente como Shockley predijo: una señal eléctrica del material tipo p moduló la corriente eléctrica entre dos conductores conectados a las piezas tipo n que lo rodeaban.
Morgan Sparks y Gordon Teal en una mesa de trabajo en Bell Labs
Este transistor de unión desarrollado supera a su antecesor de contacto de punto único en casi todos los sentidos. En particular, era más confiable y predecible, producía mucho menos ruido (y por lo tanto era más sensible) y era extremadamente eficiente energéticamente: consumía un millón de veces menos energía que un tubo de vacío típico. En julio de 1951, Bell Labs celebró otra conferencia de prensa para anunciar el nuevo invento. Incluso antes de que el primer transistor lograra llegar al mercado, ya se había vuelto esencialmente irrelevante.
Y, sin embargo, esto fue sólo el comienzo. En 1952, General Electric (GE) anunció el desarrollo de un nuevo proceso para fabricar transistores de unión, el método de fusión. En su estructura, se fusionaron dos bolas de indio (donante tipo p) a ambos lados de una fina rodaja de germanio tipo n. Este proceso era más sencillo y económico que hacer crecer uniones en una aleación; un transistor de este tipo ofrecía menos resistencia y soportaba frecuencias más altas.
Transistores crecidos y fusionados.
Al año siguiente, Gordon Teal decidió regresar a su estado natal y aceptó un trabajo en Texas Instruments (TI) en Dallas. La empresa se fundó como Geophysical Services, Inc. e inicialmente producía equipos para la exploración petrolera; TI había abierto una división de electrónica durante la guerra y ahora estaba ingresando al mercado de transistores bajo licencia de Western Electric (la división de fabricación de Bell Labs).
Teal trajo consigo nuevas habilidades aprendidas en los laboratorios: la capacidad de crecer y monocristales de silicio. La debilidad más obvia del germanio era su sensibilidad a la temperatura. Cuando se exponen al calor, los átomos de germanio del cristal arrojan rápidamente electrones libres y éste se convierte cada vez más en un conductor. A una temperatura de 77 °C dejó de funcionar por completo como un transistor. El principal objetivo de las ventas de transistores era el ejército, un consumidor potencial con baja sensibilidad al precio y una enorme necesidad de componentes electrónicos estables, fiables y compactos. Sin embargo, el germanio sensible a la temperatura no sería útil en muchas aplicaciones militares, especialmente en el campo aeroespacial.
El silicio era mucho más estable, pero tenía el coste de un punto de fusión mucho más alto, comparable al del acero. Esto causó enormes dificultades, dado que se necesitaban cristales muy puros para crear transistores de alta calidad. El silicio fundido caliente absorbería los contaminantes de cualquier crisol en el que se encontrara. Teel y su equipo de TI pudieron superar estos desafíos utilizando muestras de silicio ultrapuro de DuPont. En mayo de 1954, en una conferencia del Instituto de Ingeniería de Radio en Dayton, Ohio, Teal demostró que los nuevos dispositivos de silicio producidos en su laboratorio seguían funcionando incluso cuando se sumergían en aceite caliente.
Advenedizos exitosos
Finalmente, unos siete años después de que se inventara el transistor, se pudo fabricar con el material del que se había convertido en sinónimo. Y pasará aproximadamente la misma cantidad de tiempo antes de que aparezcan transistores que se asemejan aproximadamente a la forma utilizada en nuestros microprocesadores y chips de memoria.
En 1955, los científicos de Bell Labs aprendieron con éxito a fabricar transistores de silicio con una nueva tecnología de dopaje: en lugar de agregar bolas sólidas de impurezas a un líquido fundido, introdujeron aditivos gaseosos en la superficie sólida del semiconductor (). Controlando cuidadosamente la temperatura, la presión y la duración del procedimiento, lograron exactamente la profundidad y el grado de dopaje requeridos. Un mayor control sobre el proceso de fabricación ha dado un mayor control sobre las propiedades eléctricas del producto final. Más importante aún, la difusión térmica hizo posible producir el producto en lotes: se podía dopar una gran placa de silicio y luego cortarla en transistores. El ejército proporcionó financiación para los Laboratorios Bell porque el establecimiento de la producción requería altos costos iniciales. Necesitaban un nuevo producto para un enlace de radar de alerta temprana de frecuencia ultraalta (“"), una cadena de estaciones de radar árticas diseñadas para detectar bombarderos soviéticos que vuelan desde el Polo Norte, y estaban dispuestos a desembolsar 100 dólares por transistor (eran los días en que se podía comprar un coche nuevo por 2000 dólares).
Aleación con , que controlaba la ubicación de las impurezas, abrió la posibilidad de grabar todo el circuito completamente en un sustrato semiconductor; esto fue pensado simultáneamente por Fairchild Semiconductor y Texas Instruments en 1959. "" de Fairchild utilizó la deposición química de películas metálicas que conectan los contactos eléctricos del transistor. Eliminó la necesidad de crear cableado manual, redujo los costos de producción y aumentó la confiabilidad.
Finalmente, en 1960, dos ingenieros de los Laboratorios Bell (John Atalla y Davon Kahn) implementaron el concepto original de Shockley para un transistor de efecto de campo. Una fina capa de óxido sobre la superficie del semiconductor fue capaz de suprimir eficazmente los estados superficiales, provocando que el campo eléctrico de la puerta de aluminio penetrara en el silicio. Así nació el MOSFET [transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico] (o estructura MOS, de semiconductor de óxido metálico), que resultó tan fácil de miniaturizar, y que todavía se utiliza en casi todos los ordenadores modernos (curiosamente , Atalla es de Egipto y Kang es de Corea del Sur, y prácticamente sólo estos dos ingenieros de toda nuestra historia no tienen raíces europeas).
Finalmente, trece años después de la invención del primer transistor, apareció en su computadora algo parecido al transistor. Era más fácil de fabricar y consumía menos energía que el transistor de unión, pero respondía bastante lentamente a las señales. Sólo con la proliferación de circuitos integrados a gran escala, con cientos o miles de componentes ubicados en un solo chip, las ventajas de los transistores de efecto de campo pasaron a primer plano.
Ilustración de la patente del transistor de efecto de campo.
El efecto de campo fue la última gran contribución de Bell Labs al desarrollo del transistor. Los principales fabricantes de productos electrónicos, como Bell Laboratories (con su Western Electric), General Electric, Sylvania y Westinghouse, han acumulado una impresionante cantidad de investigaciones sobre semiconductores. De 1952 a 1965, sólo los Laboratorios Bell registraron más de doscientas patentes sobre este tema. Sin embargo, el mercado comercial rápidamente cayó en manos de nuevos actores como Texas Instruments, Transitron y Fairchild.
El primer mercado de transistores era demasiado pequeño para atraer la atención de los principales actores: alrededor de 18 millones de dólares al año a mediados del decenio de 1950, en comparación con un mercado total de productos electrónicos de 2 millones de dólares. Sin embargo, los laboratorios de investigación de estos gigantes sirvieron como campos de entrenamiento inadvertidos. donde los jóvenes científicos podrían absorber conocimientos sobre semiconductores antes de pasar a vender sus servicios a empresas más pequeñas. Cuando el mercado de la electrónica de válvulas comenzó a contraerse seriamente a mediados de la década de 1960, ya era demasiado tarde para que Bell Labs, Westinghouse y el resto pudieran competir con los advenedizos.
La transición de las computadoras a los transistores.
En la década de 1950, los transistores invadieron el mundo de la electrónica en cuatro áreas principales. Los dos primeros fueron audífonos y radios portátiles, donde el bajo consumo de energía y la consiguiente larga duración de la batería prevalecieron sobre otras consideraciones. El tercero fue el uso militar. El ejército estadounidense tenía grandes esperanzas en los transistores como componentes compactos y confiables que podrían usarse en todo, desde radios de campaña hasta misiles balísticos. Sin embargo, al principio, su gasto en transistores parecía más una apuesta sobre el futuro de la tecnología que una confirmación de su valor en ese momento. Y por último, también estaba la informática digital.
En el campo de la informática, las deficiencias de los interruptores de tubo de vacío eran bien conocidas, y algunos escépticos antes de la guerra incluso creían que una computadora electrónica no podía convertirse en un dispositivo práctico. Cuando se reunieron miles de lámparas en un solo dispositivo, consumieron electricidad, produjeron enormes cantidades de calor y, en términos de confiabilidad, solo se podía confiar en su quemado regular. Por lo tanto, el transistor de bajo consumo, frío y sin rosca se convirtió en el salvador de los fabricantes de computadoras. Sus desventajas como amplificador (salida más ruidosa, por ejemplo) no eran un problema cuando se usaba como interruptor. El único obstáculo era el costo, que a su debido tiempo comenzaría a caer bruscamente.
Todos los primeros experimentos estadounidenses con computadoras transistorizadas ocurrieron en la intersección del deseo de los militares de explorar el potencial de una nueva tecnología prometedora y el deseo de los ingenieros de pasar a interruptores mejorados.
Bell Labs construyó TRADIC para la Fuerza Aérea de EE. UU. en 1954 para ver si los transistores permitirían instalar una computadora digital a bordo de un bombardero, reemplazando la navegación analógica y ayudando a encontrar 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 del transistor de barrera de superficie, muy adecuado para la computación de alta velocidad. Philco construyó su computadora SOLO bajo un contrato con la Marina (pero en realidad a pedido de la NSA), terminándola en 1958 (usando otra variante del transistor de barrera de superficie).
En Europa occidental, menos dotada de recursos durante la Guerra Fría, la historia fue muy diferente. Máquinas como la computadora de transistores Manchester, (otro nombre inspirado en el proyecto ENIAC, y escrito al revés), y austriaco Fueron proyectos paralelos que utilizaron los recursos que sus creadores pudieron reunir, incluidos los transistores de un solo punto de primera generación.
Existe mucha controversia sobre el título de la primera computadora que utilizó transistores. Por supuesto, todo se reduce a elegir las definiciones correctas para palabras como "primero", "transistor" y "computadora". En cualquier caso, sabemos dónde termina la historia. La comercialización de ordenadores transistorizados comenzó casi de inmediato. Año tras año, los ordenadores del mismo precio se hacían cada vez más potentes, y los ordenadores de la misma potencia se hacían más baratos, y este proceso parecía tan inexorable que fue elevado al rango de ley, junto a la gravedad y la conservación de la energía. ¿Necesitamos discutir sobre qué guijarro se derrumbó primero?
¿De dónde viene la ley de Moore?
A medida que nos acercamos al final de la historia del cambio, vale la pena preguntarse: ¿qué causó que ocurriera este colapso? ¿Por qué existe la ley de Moore (o existió; discutiremos sobre eso en otra ocasión)? No existe una ley de Moore para los aviones o las aspiradoras, como tampoco la hay para los tubos de vacío o los relés.
La respuesta tiene dos partes:
- Propiedades lógicas de un conmutador como categoría de artefacto.
- La capacidad de utilizar procesos puramente químicos para fabricar transistores.
Primero, sobre la esencia del cambio. Las propiedades de la mayoría de los artefactos deben satisfacer una amplia gama de limitaciones físicas implacables. Un avión de pasajeros debe soportar el peso combinado de muchas personas. Una aspiradora debe poder aspirar una determinada cantidad de suciedad en un tiempo determinado de una zona física determinada. Los aviones y las aspiradoras serían inútiles si se redujeran a la nanoescala.
Un interruptor, un interruptor automático que nunca ha sido tocado por una mano humana, tiene muchas menos limitaciones físicas. Debe tener dos estados diferentes y debe poder comunicarse con otros conmutadores similares cuando sus estados cambian. Es decir, lo único que debería poder hacer es encender y apagar. ¿Qué tienen de especial los transistores? ¿Por qué otros tipos de conmutadores digitales no han experimentado mejoras tan exponenciales?
Aquí llegamos al segundo hecho. Los transistores se pueden fabricar mediante procesos químicos sin intervención mecánica. Desde el principio, un elemento clave en la producción de transistores fue el uso de impurezas químicas. Luego vino el proceso planar, que eliminó el último paso mecánico de la producción: conectar los cables. Como resultado, se libró de la última limitación física de la miniaturización. Los transistores ya no necesitaban ser lo suficientemente grandes para los dedos humanos o cualquier dispositivo mecánico. Todo se hizo mediante química simple, a una escala inimaginablemente pequeña: ácido para grabar, luz para controlar qué partes de la superficie resistirían el grabado y vapor para introducir impurezas y películas metálicas en las pistas grabadas.
¿Por qué es necesaria la miniaturización? Reducir el tamaño dio lugar a toda una galaxia de efectos secundarios agradables: mayor velocidad de conmutación, reducción del consumo de energía y del coste de las copias individuales. Estos poderosos incentivos han llevado a todos a buscar formas de reducir aún más los cambios. Y la industria de los semiconductores ha pasado de fabricar interruptores del tamaño de una uña a empaquetar decenas de millones de interruptores por milímetro cuadrado en la vida de un hombre. Desde pedir ocho dólares por un conmutador hasta ofrecer veinte millones de conmutadores por un dólar.
Chip de memoria Intel 1103 de 1971. Los transistores individuales, de sólo decenas de micrómetros de tamaño, ya no son visibles a simple vista. Y desde entonces han disminuido mil veces más.
Qué más leer:
- Ernest Bruan y Stuart MacDonald, Revolución en miniatura (1978)
- Michael Riordan y Lillian Hoddeson, Fuego de cristal (1997)
- Joel Shurkin, Genio roto (1997)
Fuente: habr.com