Teised tsükli artiklid:
- Relay ajalugu
- Elektrooniliste arvutite ajalugu
- Transistori ajalugu
- Internet ajalugu
Rohkem kui sada aastat analoogne koer raputas digitaalset saba. Katsetused laiendada meie aistingute võimeid – nägemine, kuulmine ja isegi, mingil määral, kompimine, suunas insenere ja teadlasi paremate komponentide otsingule telegraafi, telefoni, raadio ja radarite jaoks. Ainult õnneliku juhuse tõttu avastasid need otsingud teed uute digitaalsete masinate loomise suunas. Ja ma otsustasin rääkida selle pideva loo , mille käigus télékommunikatsiooni insenerid varustasid esialgsete materjalidega esimeseid digitaalseid arvuteid ja mõnikord isegi projekteerisid ning lõid need arvutid ise.
Kuid 1960. aastateks oli see viljakas koostöö lõpule jõudnud, koos sellega ka minu lugu. Digitaalsete seadmete tootjatel ei olnud enam vaja vaadata telegraafi, telefoni ja raadio maailma uute, paremaks läinud lülitite otsimiseks, kuna transistor ise pakkus ainevahetuse lõpmatut allikat. Aasta aastalt kaevusid nad sügavamale ja sügavamale, leides alati viise töö kiirusel eksponentsiaalselt suureneda ja kulusid vähendada.
Kuid midagi sellist ei oleks juhtunud, kui transistorite leiutamine oleks piirdunud .
Aeganõudev algus
Populaarses meedias ei täheldatud aktiivset entusiame seda Bel telefoni laborite transistorite leiutamise kuulutamise suhtes. 1. juulil 1948. aastal pühendas The New York Times sellele sündmusele kolm lõiku raadiouudiste kokkuvõtte all. Ja see uudis ilmus pärast teisi, ilmselgelt olulisemaks peetud: näiteks tunni raadiotoodet "Valse aeg", mis pidi ilmuma NBC-sse. Tagantjärele võib-olla tahame naerda või isegi kiruda tundmatuid autoreid – kuidas nad ei suutnud ära tunda maailmamuutvat sündmust?
Aga minevikku vaatamine moonutab tajumist, suurendades neid signaale, mille tähtsust me teame, kuigi tookord need kadusid müra meres. 1948. aasta transistor erines oluliselt arvutitransistoridest, millel sa seda artiklit loed (kui sa selle välja ei prindi). Nad erinevad nii palju, et vaatamata samale nimele ja siduvale pärandi joonele, tuleb neid pidada erinevateks liikideks, kui mitte lausa erinevateks klassideks. Neil on erinevad koostisosad, erinev struktuur, erinev toimimispõhimõte, rääkimata tohutust suuruste erinevusest. Ainult tänu pidevatele ümberleiutamistele suutis Bartini ja Brattaini kohmakas seade muuta maailma ja meie elu.
Tegelikult ei väärinud germaaniumitransistor ühe kontaktipunktiga suuremat tähelepanu, kui ta sai. Tal oli mitmeid defekte, mis olid pärandatud elektronlampidelt. Ta oli muidugi palju väiksem kui kõige kompaktsemad lambid. Kuuma filamendi puudumine tähendas, et ta genereeris vähem soojust, tarbis vähem energiat, ei kustunud ja ei vajanud enne kasutamist soojendamist.
Kuid mustuse kogunemine kontaktpinnale viis rikkele ja nullis potentsiaali pikemaks elueaks; see andis valjemat signaali; töötas ainult madalatel võimsustel ja kitsastes sagedusvahemikes; ebaõnnestus kuuma, külma või niiskuse korral; ja seda ei õnnestunud tootma ühtlaselt. Mitmed transistored, mis olid loodud sama meetodi abil samade inimeste poolt, omasid äärmiselt erinevaid elektrilisi omadusi. Ja kõik see koosnes vähemalt kaheksa korda suuremast maksumusest kui tavaline lamp.
Ainult 1952. aastaks suutsid Bell Labs (ja teised patendi omanikud) tootmisprobleemid lahendada piisavalt, et ühe kontaktiga transistore saaks nimetada praktilisteks seadmeteks, ja isegi siis ei levinud nad eriti kaugemale kuuldeaparaatide turult, kus hinnatundlikkus oli suhteliselt madal ja aku tööaega puudutavad eelised ületasid puudused.
Siiski hakati juba toona tegema esimesi katseid transistori paremaks ja kasulikumaks muutmiseks. Need algasid tegelikult palju varem, kui avalikkus tema olemasolust teada sai.
Shockley ambitsioonid
1947. aasta lõpuks tegi Bill Shockley põnevil reisi Chicagosse. Tal olid udused ideed selle kohta, kuidas ületada hiljuti leiutatud Bardeeni ja Brattaini transistor, kuid tal ei olnud veel võimalust neid arendada. Seetõttu veetis ta jõulud ja uue aasta hotellis, kirjutades oma ideid umbes 20 lehekülje tähekunni. Nende seas oli ettepanek uue transistori loomiseks, mis koosneb pooljuhtsandwich'st – p-tüüpi germaaniumiviil kahe n-tüüpi tüki vahel.
Olles sellise trumpkaardi olemasolu tõttu julgustatud, esitas Shockley Bardeeni ja Brattaini vastu nõude, et nad naasesid Murray Hill'i, nõudes kogu au transistori leiutamise eest. Kas just tema idee küljeefektist pani Bardeeni ja Brattaini laborisse istuma? Kas ei peaks seetõttu kõik patendiõigused temale üle andma? Siiski, Shockley kavalus mängis talle vingerpuss: Bell Labs'i patendivanded avastasid, et tundmatu leiutaja , oli patenteerinud pooljuhtvõimendi küljeefekti alusel peaaegu 20 aastat varem, 1930. aastal. Lilienfeld ei saavutanud oma ideed ellu viia, arvestades toona materjalide olukorda, kuid ülekande oht oli liiga suur – parem oli täiesti vältida küljeefekti mainimist patendis.
Seega, kuigi Bell Labs andis Shockleyle helde annuse leiutaja au, mainisid nad patendis ainult Bardeeni ja Brattaini. Kuid tehtud on tehtud: Shockley ambitsioonid hävitasid tema suhted kahe alamusega. Bardeen lõpetas töötamise transistori kallal ja keskendus ülivoolutusele. Ta jättis laborid 1951. aastal. Brattain jäi sinna, kuid keeldus uuesti Shockleyga töötamast ja nõudis grupi vahetust.
Šokli ei suutnud töötada teistega, mistõttu ta laborites ei edenenud ning lahkus sealt. 1956. aastal naasis ta koju Palo Altosse, et asutada oma transistorite tootmisfirma Shockley Semiconductor. Enne lahkumist lahutas ta oma naisest Jeenist, kes taastusid emakakaelavähi tõttu, ning asus koos Emma Lenninguga, kellega ta peagi abiellus. Kuid tema Californialikust unistusest – uus ettevõte ja uus naine – täitus vaid üks. 1957. aastal lahkusid tema parimad insenerid, kes olid vihased tema juhtimisstiili ja suuna pärast, et luua uus firma Fairchild Semiconductor.
Šokli 1956. aastal
N nii jättis Šokli oma firma tühjaks kestaks ja asus tööle Stanfordi elektrotehnika osakonda. Seal jätkas ta oma kolleegide (ja oma vanima sõbra füüsiku ) tõukamist, tegeledes tema jaoks huvitavate rassilise mädanemise ja mis olid USA-s ebasoovitavad alates viimase sõja lõpust, eriti akadeemilistes ringkondades. Ta leidis rahuldust vaidluste käivitamisest, meedia üleskütmisest ja protestide põhjustamisest. Ta suri 1989. aastal, eemaldudes lastest ja kolleegidest ning külastatuna vaid oma igavesti pühendunud teisest naisest Emmast.
Kuigi tema haledad katsed ettevõtluses ebaõnnestusid, külvas Šokli seemne viljakasse pinnasesse. San Francisco lahe piirkond tootis hulgaliselt väikeseid elektroonikatootmisfirmasid, mille finantseeris föderaalne valitsus sõja ajal. Fairchild Semiconductor, Šokli juhuslik järglane, tõi esile kümneid uusi firmasid, millest paar on tuntud ka täna: Intel ja Advanced Micro Devices (AMD). 1970ndate alguseks oli see piirkond teeninud ennast naljaka hüüdnime „Küpsiste org“. Aga oota – Bardin ja Breteyn lõid germaaniumitransistori. Kust tuli silikoon?
Nii nägi 2009. aastal välja hülgatud koht Mountain View's, kus varem asus Shockley Semiconductor. Täna on hoone lammutatud.
Silikoonsõlm
Uue tüüpi transistor, mille leiutas Shockley Chicagos hotellis, leidis endale palju soodsama saatuse kui tema leiutaja. Kõik tänu ühe isiku soovile kasvatada ühtseid puhtaid pooljuhikristalle. Gordon Tille, füüsikakeemik Texast, kes uuris tol ajal kasutu germaani oma doktoritöö jaoks, asus 30ndatel aastatel tööle Bell Labs'is. Saades teada transistorist, oli ta veendunud, et selle usaldusväärtust ja võimsust on võimalik oluliselt parandada, luues selle puhtast monokristallist, mitte tol ajal kasutatavatest polükristallilistest seguainetest. Shockley lükkas tagasi tema katsetused, pidades neid tarbetuks ressursikasutuseks.
Kuid Tille ei andnud alla ja saavutas edu, koos mehhaaniku John Little'iga luues seadme, mis tõmbas sulatitest germaaniumist välja pisikese kristalli algse. Kui see jahenes, laiendas germaanium selle kristallstruktuuri, luues pideva ja peaaegu puhta pooljuhtvõre. 1949. aasta kevadel suutsid Tille ja Little toota kristalle tellimise peale, ning katsed näitasid, et need jätsid oma polükristallilised konkurendid kaugele maha. Eelkõige suutsid nende lisatud mittepeamised kandjad ellu jääda kuni sada mikrosekundit või isegi kauem (vastu mitte rohkem kui kümme mikrosekundit teistes kristallipoolides).
Nüüd sai Tille endale lubada rohkem ressursse ja värbas oma meeskonda rohkem inimesi, sealhulgas veel ühe füüsikakeemiku, kes oli tulnud Bell Labs'i Texast - Morgan Sparks. Nad alustasid sulamise muutmist, et toota p-tüüpi või n-tüüpi germaaniumi, lisades vastavaid lisandeid. Veel ühe aastaga täiustasid nad tehnoloogiat nii palju, et suutsid kasvatada germaaniumi n-p-n liivakasti otse sulamisse. Ja see töötas just nii, nagu Shockley ennustas: p-tüübi materjali elektrisignaal modulsidis elektrivoolu kahe juhtme vahel, mis olid ühendatud selle ümbritsevate n-tüüpi tükkidega.
Morgan Sparks ja Gordon Tille Bell Labs'i tööpingil
See transistor with a grown junction surpassed its predecessor with a single point contact in almost all respects. In particular, it became more reliable and predictable, produced much less noise (and therefore was more sensitive), and was extremely energy-efficient – consuming a million times less energy than a typical electronic lamp. In July 1951, Bell Labs organized another press conference to announce the new invention. Even before the first transistor could hit the market, it had essentially already become insignificant.
And yet, this was just the beginning. In 1952, General Electric (GE) announced the development of a new method for making junction transistors, using a solid-state method. In this process, two indium balls (p-type donor) were fused on both sides of a thin slice of n-type germanium. This process was simpler and cheaper than growing junctions in the alloy; such a transistor had less resistance and supported higher frequencies.
Grown and alloyed transistors
The following year, Gordon Teal decided to return to his home state and took a job at Texas Instruments (TI) in Dallas. The company was founded under the name Geophysical Services, Inc., and initially produced equipment for exploring oil fields. TI opened an electronics division during the war and was now entering the transistor market under license from Western Electric (a manufacturing division of Bell Labs).
Teal brought with him new skills acquired at the labs: the ability to grow and monocrystals of silicon. The most obvious weakness of germanium was its sensitivity to temperature. When exposed to heat, the atoms of germanium in the crystal quickly shed free electrons, and it increasingly turned into a conductor. At a temperature of 77 °C, it completely stopped working as a transistor. The main target for transistor sales was the armed forces – a potential consumer with low price sensitivity and a huge need for stable, reliable, and compact electronic components. However, temperature-sensitive germanium would not be useful in many military applications, especially in aerospace.
Kreem oli palju stabiilsem, kuid selle kõrge sulamistemperatuur oli võrreldav terase sulamistemperatuuriga. See tekitas suuri raskusi, arvestades, et kvaliteetsete transistoride valmistamiseks olid vajalikud väga puhtad kristallid. Kuum sulav kreem imenduks saasteaineid igast kuubil olevast krahvist, milles see viibis. Til ja TI meeskond suutsid need raskused ületada äärmiselt puhastest krempekstraktidest, mille valmistas DuPont. Mais 1954. aastal näitas Til Daytonis (Ohio) raadioinseneride instituudi konverentsil, et tema laboris valmistatud uued kreemseadmed töötasid isegi kuuma õli sisse kastetuna.
Edukaid tõusikuid
Lõpuks, umbes seitse aastat pärast esimese transistori leiutamist, oli võimalik seda valmistada materjalist, millega see sai sarnaseks. Veel umbes sama palju aega kulus, kuni ilmusid transistore, mis sarnanesid sellele kujule, mida kasutatakse meie mikroskeemides ja mälukiipides.
Aastal 1955 õppisid Bell Labs'i teadlased edukalt valmistama kreemtransistore uue dopingutehnoloogiaga – selle asemel, et lisada tahkeid saastepalle vedela sulaga, viidi gaasilised lisandid tahkele pooljuhi pinnale (). Kontrollides hoolikalt temperatuuri, rõhku ja protseduuri kestust, saadi täpselt vajalik sügavus ja dopingutase. Tootmisprotsessi kõrgendatud kontroll andis võimaluse tõhusamalt hallata lõpptoote elektrilisi omadusi. Veelgi olulisem on, et termodifusioon võimaldas toote tootmist partii meetodil – oli võimalik dopida suurt plaati kreemist ja seejärel lõigata see läbi transistoreks. Sõjavägi rahastas Bell Labs'i, kuna tootmise korraldamiseks olid vajalikud suured eelnevad kulutused. Neil oli vaja uut toodet ultrakõrgsageduslikuks varajase radarite avastamise süsteemiks („), arktiliste radarijaamade võrgustik, mille eesmärk oli avastada nõukogude pommitajaid, kes lendasid põhjapoolusest, ja nad olid valmis maksma transistoride eest 100 dollarit (need olid ajad, mil uue auto sai osta 2000 dollari eest).
Sulamine koos , mis juhtis mittepuhtuste asukohta, avas võimaluse söövitada kogu kontuur ühel pooljuhtalus – varem tulid selle mõttega samal ajal välja Fairchild Semiconductor ja Texas Instruments 1959. aastal. „“ Fairchildilt kasutas keemilist sadestumist metallkiledest, mis ühendas transistoride elektrilised kontaktid. See vähendas vajadust juhtmete käsitsi loomise järele, alandas tootmiskulusid ja suurendas usaldusväärsust.
Lõpuks, 1960. aastal, realiseerisid kaks inseneri Bell Labs'ist (John Atalla ja Devon Kahn) originaalse Shockley väljatransistori koncepciooni. Õhuke oksüdikihte pooljuhi pinnal suutis tõhusalt pärssida pindmisi olekuid, mille tõttu alumiiniumist ukse elektriväli tungis süsinikku. Nii sündis MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (või MOPl-ehitus, metall-oksiid-pooljuht), mida oli imelihtne miniaturiseerida ja mida kasutatakse siiani peaaegu kõigis kaasaegsetes arvutites (huvitav on see, et Atalla oli pärit Egiptusest ja Kahn Lõuna-Koreast, ning praktiliselt ainult need kaks inseneri kogu meie ajaloos ei omanud Euroopa juuri).
Lõpuks, kaksteist aastat pärast esimese transistori leiutamist, ilmus midagi, mis meenutas teie arvuti transistore. Selle tootmine oli lihtsam, see kasutas vähem energiat kui lametransistor, kuid reageeris signaalidele üsna aeglaselt. Ainult suurte integreeritud ringide leviku korral, kus sadade või tuhandeid komponente paigutati ühele kiibile, tõusid väljatransistori eelised esile.
Pildiillustratsioon väli transistoripatetist
Maaefekt oli Bell Laborite viimane oluline panus transistoride arendusse. Suured elektroonikatootjad, nagu Bell Laborid (koos nende Western Electriciga), General Electric, Sylvania ja Westinghouse, tegid märkimisväärset teadusuuringute tööd pooljuhtide valdkonnas. Aastatel 1952–1965 registreerisid Bell Laborid üle kahe sajani patendi sellel teemal. Siiski läks kommertsturg kiiresti uute mängijate, nagu Texas Instruments, Transitron ja Fairchild kätte.
Varajane transistoriturg oli liiga väike, et suurte mängijate tähelepanu köita: umbes 18 miljonit dollarit aastas 1950. aastate keskpaiku, võrreldes kogu elektroonika turu 2 miljardi dollariga. Siiski teenisid nende hiidude uurimislaborid juhuslikult treeningkampadena, kus noored teadlased said omandada teadmisi pooljuhtide kohta, et seejärel oma teenuseid väiksematele ettevõtetele pakkuda. Kui 1960. aastate keskpaiku hakkas lampide elektroonika turg tõsiselt kahanema, oli Bell Laborite, Westinghouse'i ja teiste jaoks juba liiga hilja mitte-ameeriklastest konkurentidega konkureerida.
Arvutite üleminek transistoritele
1950. aastatel tungisid transistorelektroonikasse neljas kõige olulisemas valdkonnas. Esimesed kaks olid kuuldeaparaadid ja kantavad raadiotvastuvõtjad, kus madal energiatarve ja seega pikaajaline aku tööaeg ületasid kõik muud kaalutlused. Kolmas oli sõjaline kasutamine. USA armee loodab transistoreid usaldusväärsete ja kompaktsete komponentidena, mida saab kasutada kõikjal alates maapealsest raadiost kuni ballistiliste rakettideni. Siiski oli esialgu nende rahakanne transistoridele rohkem nagu tulevikutehnoloogia ennustamine, kui tänase väärtuse tõendamine. Lõpuks oli veel ka digitaalne arvutamine.
Arvutite alal olid elektronlambil põhinevate lülitite puudused hästi teada ning mõned skeptikud arvasid isegi enne sõda, et elektroonilist arvutit ei õnnestu muuta praktiliseks seadmeteks. Kui tuhandeid lampe koguti ühte seadmesse, kulutasid need tohutult energiat, tekitades samal ajal suures koguses soojust, ja usaldusväärsuse osas võis loota vaid nende pidevale süttimisele. Seega sai madala energiatarbimisega, külm ja ilma filamentideta transistor arvutitootjate päästjaks. Selle puudused võimendina (näiteks, lärmakam väljundsignaal) ei olnud lülititena niivõrd probleemsed. Ainsaks takistuseks oli hind, kuid varsti hakkab see järsult langema.
Kõik varased Ameerika eksperimentide transistorarvutitega toimusid sõjaväe soovist uurida lootustandva uue tehnoloogia potentsiaali ning inseneride soovist minna üle parematele lülititele.
Bell Labs ehitas 1954. aastal TRADIC USA õhujõudude jaoks, et näha, kas transistorid võimaldavad paigaldada digitaalarvuti pommitaja pardale, asendades analoogse navigeerimise ja abistades sihtmärkide leidmist. MIT Lincoln Laboratory arendas 1956. aastal TX-0 arvutit osana ulatuslikust õhutõrje projektist. Masin kasutas veel ühte transistorite varianti, pinna-barjääri transistorit, mis sobis hästi kiireteks arvutusteks. Philco ehitas oma SOLO arvuti USA mereväe tellimisel (kuigi tegelikult - NSA nõudmisel), lõpetades selle 1958. aastal (kasutades veel ühte pinna-barjääri transistorite varianti).
Lääne-Euroopas, kus külma sõja ajal ressursid ei olnud nii rohked, oli lugu hoopis teine. Sellised masinad nagu Manchesteri Transistorarvuti, (veel üks nimi, inspireeritud ENIAC-i projektist ja selle kirjutamine tagurpidi), ning Austria olid kõrvalprojektid, mis kasutasid ressursse, mille loojad suutsid kokku kraapida – sealhulgas esimese generatsiooni ühekontaktilisi transistore.
On kiidatud, et esimesest arvutist, mis kasutas transistore, käivad paljusid vaidlusi. Kõik sõltub tõeliselt sõnade nagu "esimene", "transistor" ja "arvuti" õige määratlemise valikust. Ükskõik mis, on teada, kus ajalugu lõppeb. Transistoriarvutite kommertsialiseerimine algas peaaegu kohe. Aasta-aastalt muutusid arvutid sama hinna eest üha võimsamaks ning sama võimsusega arvutid muutusid järjest odavamaks. See protsess tundus olema nii vältimatu, et see tõsteti seadusena, võrreldes gravitatsiooni ja energia säilitamisega. Kas on vaja vaielda selle üle, milline kivi sai esimeseks languses?
Kust tuli Moore'i seadus?
Lähenedes lüliti ajaloo lõpule, tuleks esitada küsimus: mis viis selle kokkuvarisemiseni? Miks Moore'i seadus eksisteerib (või eksisteeris - sellest vaidleme hiljem)? Lennukite või tolmuimejate jaoks ei ole Moore'i seadust, nagu ka ei ole seda elektronlampide või releede puhul.
Vastus koosneb kahest osast:
- Lüliti loogilised omadused kui artefakti kategooria.
- Võimalus kasutada puhtalt keemilisi protsesse transistoride valmistamiseks.
Esiteks lüliti olemusest. Enamikul artefaktide omadustest peab vastama laiale mittevältimatute füüsikaliste piirangute spektrile. Reisilennuk peab taluma paljude inimeste kogukaalu. Tolmuimeja peab suutma teatud aja jooksul teatud füüsilise pinna pealt teatud koguses mustust imeda. Lennukid ja tolmuimejad oleksid kasutu, kui neid vähendada nanomõõtmetesse.
Kuid lülitil - automaatlülitil, mida kunagi ei puudutaks inimkäsi - on füüsilisi piiranguid palju vähem. Sellel peab olema kaks erinevat seisundit ja ta peab suutma teavitada teiste sarnaste lülitite staatuse muutustest. Teisisõnu, kõik, mida ta peab suutma, on sisse ja välja lülituda. Mis on siis transistori juures nii erilist? Miks ei ole teised digitaalsed lülitid kogenud selliseid eksponentsiaalseid täiustusi?
Siin puudutame teist fakti. Transistore saab valmistada keemiliste protsesside abil ilma mehaanilise sekkumiseta. Alates algusest oli transistori tootmise jätkuvaks elemendiks keemiliste lisandite kasutamine. Siis tuli planeerimisprotsess, mis kõrvaldas tootmisest viimase mehaanilise etapi – juhtmete kinnitamise. Tulemuseks vabanes viimane füüsiline piirang miniaturiseerimise osas. Transistorid ei pidanud enam olema piisavalt suured, et mahutada inimese näpud – või ükskõik milline mehaaniline seade. Kõike tegi lihtne keemia, mõeldamatult väikeses mastaabis: hape söövitamiseks, valgus pindade valimiseks, mis taluvad söövitamist, ja aurud lisandite ja metallifilmide viimiseks sööbetud radadele.
Aga miks miniaturiseerimine üldse vajalik on? Suurte mõõtmete vähendamine tõi endaga kaasa terve rea meeldivaid kõrvaltoimeid: üleminekukiirus suurenes, energiakulu vähenes ja üksikute komponentide maksumus kahanes. Need võimsad stiimulid sundisid kõiki otsima viise, kuidas lüliteid veelgi väiksemaks teha. Ja pooljuhtide tööstus on ühe inimese eluea jooksul liikunud küünte suurusest lüliteid tootmisest kümnete miljonite lülitite pakendamiseni ruutsentimeetrile. Ühe lüliti eest küsiti kaheksat dollarit, nüüd pakutakse kakskümmend miljonit lülitit ühe dollari eest.
Intel 1103 mälukiip 1971. aastast. Eraldi transistore, mille suurus on vaid kümneid mikromeetreid, ei ole enam palja silmaga eristatavad. Ja sellest ajast on nad veel tuhat korda väiksemaks muutunud.
Lisaks lugemiseks:
- Ernest Bruan ja Stuart MacDonald, Revolutsioon miniatuuris (1978)
- Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Kristall Tule (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Allikas: habr.com
