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Depuis plus de cent ans, le chien analogique remue sa queue numérique. Les tentatives visant à étendre les capacités de nos sens - la vision, l'ouïe et même, dans un sens, le toucher - ont conduit les ingénieurs et les scientifiques à rechercher de meilleurs composants pour les télégraphes, les téléphones, les radios et les radars. Ce n’est que par pur hasard que cette recherche a ouvert la voie à la création de nouveaux types de machines numériques. Et j'ai décidé de raconter l'histoire de cette constante , au cours de laquelle les ingénieurs en télécommunications ont fourni les matières premières pour les premiers ordinateurs numériques et ont parfois même conçu et construit ces ordinateurs eux-mêmes.
Mais dans les années 1960, cette fructueuse collaboration a pris fin, et avec elle mon histoire. Les fabricants d'équipements numériques n'avaient plus besoin de se tourner vers les mondes du télégraphe, du téléphone et de la radio pour trouver de nouveaux interrupteurs améliorés, puisque le transistor lui-même constituait une source inépuisable d'améliorations. Année après année, ils ont creusé de plus en plus profondément, trouvant toujours des moyens d'augmenter de façon exponentielle la vitesse et de réduire les coûts.
Cependant, rien de tout cela ne serait arrivé si l’invention du transistor s’était arrêtée à .
Démarrage lent
La presse populaire a suscité peu d'enthousiasme à l'annonce par les Bell Labs de l'invention du transistor. Le 1er juillet 1948, le New York Times consacre trois paragraphes à l'événement en bas de son reportage Radio News. De plus, cette nouvelle est apparue après d’autres, évidemment considérées comme plus importantes : par exemple, l’émission de radio d’une heure « Waltz Time », qui devait apparaître sur NBC. Avec le recul, on a peut-être envie de rire, voire de gronder les auteurs inconnus : comment ont-ils pu ne pas reconnaître l'événement qui a bouleversé le monde ?
Mais le recul déforme la perception, amplifiant des signaux dont on sait la signification perdue dans un océan de bruit à l’époque. Le transistor de 1948 était très différent des transistors des ordinateurs sur lesquels vous lisez cet article (à moins que vous décidiez de l'imprimer). Ils différaient tellement que, malgré le même nom et la lignée ininterrompue d’héritage qui les relie, ils devraient être considérés comme des espèces différentes, voire des genres différents. Ils ont des compositions différentes, des structures différentes, des principes de fonctionnement différents, sans parler de l’énorme différence de taille. Ce n’est qu’en se réinventant constamment que le dispositif maladroit construit par Bardeen et Brattain a pu transformer le monde et nos vies.
En fait, le transistor au germanium monopoint ne méritait pas plus d’attention qu’il n’en a reçu. Il présentait plusieurs défauts hérités du tube à vide. Bien entendu, elle était beaucoup plus petite que les lampes les plus compactes. L’absence de filament chaud signifiait qu’il produisait moins de chaleur, consommait moins d’énergie, ne brûlait pas et ne nécessitait pas de réchauffement avant utilisation.
Cependant, l’accumulation de saleté sur la surface de contact entraînait des pannes et annulait le potentiel d’une durée de vie plus longue ; cela donnait un signal plus bruyant ; fonctionnait uniquement à faible puissance et dans une plage de fréquences étroite ; échoué en présence de chaleur, de froid ou d'humidité ; et il ne pouvait pas être produit uniformément. Plusieurs transistors créés de la même manière par les mêmes personnes auraient des caractéristiques électriques très différentes. Et tout cela coûtait huit fois celui d’une lampe standard.
Ce n'est qu'en 1952 que les Bell Labs (et d'autres détenteurs de brevets) ont suffisamment résolu les problèmes de fabrication pour que les transistors à point unique deviennent des dispositifs pratiques, et même à cette époque, ils ne se sont pas répandus bien au-delà du marché des aides auditives, où la sensibilité au prix était relativement faible. ... et les avantages en termes d'autonomie de la batterie l'emportaient sur les inconvénients.
Cependant, les premières tentatives avaient déjà commencé pour transformer le transistor en quelque chose de meilleur et de plus utile. Elles ont en réalité commencé bien avant le moment où le public a eu connaissance de son existence.
Les ambitions de Shockley
Vers la fin de 1947, Bill Shockley entreprit un voyage à Chicago avec beaucoup d'enthousiasme. Il avait de vagues idées sur la façon de battre le transistor récemment inventé par Bardeen et Brattain, mais n'avait pas encore eu l'occasion de les développer. Ainsi, au lieu de profiter d'une pause entre les étapes de travail, il a passé Noël et le Nouvel An à l'hôtel, remplissant environ 20 pages d'un cahier avec ses idées. Parmi eux figurait une proposition pour un nouveau transistor constitué d'un sandwich semi-conducteur - une tranche de germanium de type p entre deux morceaux de type n.
Encouragé par cet atout dans sa manche, Shockley revendique Bardeen et Brattain pour leur retour à Murray Hill, revendiquant tout le mérite de l'invention du transistor. N'est-ce pas son idée de l'effet de champ qui a amené Bardeen et Brattain au laboratoire ? Cela ne devrait-il pas nécessiter de lui transférer tous les droits sur le brevet ? Cependant, l'astuce de Shockley s'est retournée contre lui : les avocats spécialisés en brevets des Bell Labs ont découvert que l'inventeur inconnu, , a breveté un amplificateur à effet de champ à semi-conducteur près de 20 ans plus tôt, en 1930. Lilienfeld, bien sûr, n'a jamais mis en œuvre son idée, compte tenu de l'état des matériaux à cette époque, mais le risque de chevauchement était trop grand - il valait mieux éviter complètement de mentionner l'effet de champ dans le brevet
Ainsi, bien que les Bell Labs aient accordé à Shockley une part généreuse du crédit de l'inventeur, ils n'ont nommé que Bardeen et Brattain dans le brevet. Cependant, ce qui a été fait ne peut être défait : les ambitions de Shockley ont détruit sa relation avec ses deux subordonnés. Bardeen a arrêté de travailler sur le transistor et s'est concentré sur la supraconductivité. Il quitta les laboratoires en 1951. Brattain y resta, mais refusa de travailler à nouveau avec Shockley et insista pour être transféré dans un autre groupe.
En raison de son incapacité à travailler avec d'autres personnes, Shockley n'a jamais fait de progrès dans les laboratoires, il en est donc également parti. En 1956, il rentre chez lui à Palo Alto pour créer sa propre entreprise de transistors, Shockley Semiconductor. Avant de partir, il s'est séparé de sa femme Jean alors qu'elle se remettait d'un cancer de l'utérus et s'est impliqué avec Emmy Lanning, qu'il a rapidement épousée. Mais des deux moitiés de son rêve californien – une nouvelle entreprise et une nouvelle épouse – une seule s'est réalisée. En 1957, ses meilleurs ingénieurs, irrités par son style de gestion et la direction dans laquelle il prenait l'entreprise, le quittèrent pour fonder une nouvelle société, Fairchild Semiconductor.
Shockley en 1956
Shockley a donc abandonné la coquille vide de son entreprise et a accepté un emploi dans le département de génie électrique de Stanford. Là, il a continué à s'aliéner ses collègues (et son plus vieil ami, le physicien ) les théories de la dégénérescence raciale qui l'intéressaient et – des sujets impopulaires aux États-Unis depuis la fin de la dernière guerre, notamment dans les milieux universitaires. Il prenait plaisir à attiser la polémique, à attiser les médias et à susciter des protestations. Il est décédé en 1989, séparé de ses enfants et de ses collègues, et recevant uniquement la visite de sa seconde épouse toujours dévouée, Emmy.
Bien que ses faibles tentatives d’entrepreneuriat aient échoué, Shockley avait semé une graine dans un sol fertile. La région de la baie de San Francisco a produit de nombreuses petites entreprises d’électronique, qui ont bénéficié de financements du gouvernement fédéral pendant la guerre. Fairchild Semiconductor, la progéniture accidentelle de Shockley, a donné naissance à des dizaines de nouvelles sociétés, dont quelques-unes sont encore connues aujourd'hui : Intel et Advanced Micro Devices (AMD). Au début des années 1970, la région avait gagné le surnom ironique de « Silicon Valley ». Mais attendez une minute : Bardeen et Brattain ont créé le transistor au germanium. D'où vient le silicium ?
Voilà à quoi ressemblait le site abandonné de Mountain View qui abritait autrefois Shockley Semiconductor en 2009. Aujourd'hui, le bâtiment a été démoli.
Vers le carrefour du silicium
Le sort d'un nouveau type de transistor, inventé par Shockley dans un hôtel de Chicago, fut bien plus heureux que celui de son inventeur. Tout cela est dû au désir d’un homme de cultiver des cristaux semi-conducteurs uniques et purs. Gordon Teal, un physico-chimiste du Texas qui avait étudié le germanium alors inutile pour son doctorat, a accepté un emploi aux Bell Labs dans les années 30. Après avoir découvert le transistor, il est devenu convaincu que sa fiabilité et sa puissance pourraient être considérablement améliorées en le créant à partir d'un monocristal pur, plutôt qu'à partir des mélanges polycristallins alors utilisés. Shockley a rejeté ses efforts comme un gaspillage de ressources.
Cependant, Teal a persisté et a réussi, avec l'aide de l'ingénieur en mécanique John Little, à créer un appareil qui extrait une minuscule graine de cristal du germanium fondu. En refroidissant autour du noyau, le germanium élargit sa structure cristalline, créant un réseau semi-conducteur continu et presque pur. Au printemps 1949, Teal et Little pouvaient créer des cristaux sur commande, et les tests montrèrent qu'ils étaient loin derrière leurs concurrents polycristallins. En particulier, les transporteurs mineurs qui y sont ajoutés pourraient survivre à l’intérieur pendant une centaine de microsecondes, voire plus (contre pas plus de dix microsecondes dans d’autres échantillons de cristaux).
Désormais, Teal pouvait se permettre plus de ressources et a recruté plus de personnes dans son équipe, parmi lesquelles se trouvait un autre physico-chimiste venu du Texas aux Bell Labs - Morgan Sparks. Ils ont commencé à modifier la matière fondue pour produire du germanium de type p ou de type n en ajoutant des billes d'impuretés appropriées. En un an, ils avaient tellement amélioré la technologie qu’ils pouvaient faire pousser un sandwich au germanium npn directement dans la masse fondue. Et cela a fonctionné exactement comme Shockley l'avait prédit : un signal électrique provenant du matériau de type P a modulé le courant électrique entre deux conducteurs connectés aux pièces de type N qui l'entouraient.
Morgan Sparks et Gordon Teal devant un établi aux Bell Labs
Ce transistor à jonction développé surpasse son ancêtre à contact unique dans presque tous les domaines. En particulier, il était plus fiable et prévisible, produisait beaucoup moins de bruit (et était donc plus sensible) et était extrêmement économe en énergie - consommant un million de fois moins d'énergie qu'un tube à vide classique. En juillet 1951, les Bell Labs tinrent une autre conférence de presse pour annoncer la nouvelle invention. Avant même que le premier transistor n’arrive sur le marché, il n’était déjà plus pertinent.
Et pourtant, ce n'était que le début. En 1952, General Electric (GE) annonce le développement d’un nouveau procédé de fabrication de transistors à jonction, la méthode de fusion. Dans son armature, deux billes d'indium (donneur de type p) ont été fusionnées de part et d'autre d'une fine tranche de germanium de type n. Ce processus était plus simple et moins coûteux que la croissance de jonctions dans un alliage ; un tel transistor donnait moins de résistance et supportait des fréquences plus élevées.
Transistors cultivés et fusionnés
L'année suivante, Gordon Teal décide de retourner dans son État d'origine et accepte un emploi chez Texas Instruments (TI) à Dallas. La société a été fondée sous le nom de Geophysical Services, Inc. et produisait initialement des équipements pour l'exploration pétrolière. TI avait ouvert une division électronique pendant la guerre et entrait maintenant sur le marché des transistors sous licence de Western Electric (la division de fabrication de Bell Labs).
Teal a apporté avec lui de nouvelles compétences acquises en laboratoire : la capacité de grandir et monocristaux de silicium. La faiblesse la plus évidente du germanium était sa sensibilité à la température. Lorsqu’ils sont exposés à la chaleur, les atomes de germanium du cristal perdent rapidement des électrons libres et celui-ci se transforme de plus en plus en conducteur. À une température de 77 °C, il a complètement cessé de fonctionner comme un transistor. La principale cible des ventes de transistors était l'armée - un consommateur potentiel peu sensible aux prix et ayant un énorme besoin de composants électroniques stables, fiables et compacts. Cependant, le germanium sensible à la température ne serait pas utile dans de nombreuses applications militaires, notamment dans le domaine aérospatial.
Le silicium était beaucoup plus stable, mais au prix d’un point de fusion beaucoup plus élevé, comparable à celui de l’acier. Cela a posé d’énormes difficultés, étant donné que des cristaux très purs étaient nécessaires pour créer des transistors de haute qualité. Le silicium fondu chaud absorberait les contaminants du creuset dans lequel il se trouvait. Teel et son équipe chez TI ont pu surmonter ces défis en utilisant des échantillons de silicium ultra-pur de DuPont. En mai 1954, lors d'une conférence de l'Institute of Radio Engineering à Dayton, Ohio, Teal démontra que les nouveaux dispositifs au silicium produits dans son laboratoire continuaient de fonctionner même lorsqu'ils étaient immergés dans de l'huile chaude.
Des parvenus à succès
Finalement, environ sept ans après l'invention du transistor, il a pu être fabriqué à partir du matériau dont il était devenu synonyme. Et il s'écoulera à peu près le même temps avant l'apparition de transistors qui ressemblent à peu près à la forme utilisée dans nos microprocesseurs et nos puces mémoire.
En 1955, les scientifiques des Bell Labs ont appris avec succès à fabriquer des transistors en silicium avec une nouvelle technologie de dopage : au lieu d'ajouter des billes solides d'impuretés à un liquide fondu, ils ont introduit des additifs gazeux dans la surface solide du semi-conducteur (). En contrôlant soigneusement la température, la pression et la durée de la procédure, ils ont obtenu exactement la profondeur et le degré de dopage requis. Un plus grand contrôle sur le processus de fabrication a permis un meilleur contrôle sur les propriétés électriques du produit final. Plus important encore, la diffusion thermique a permis de fabriquer le produit par lots : on pouvait doper une grande plaque de silicium puis la découper en transistors. L'armée a financé les Laboratoires Bell car la mise en place de la production nécessitait des coûts initiaux élevés. Ils avaient besoin d’un nouveau produit pour une liaison radar d’alerte précoce à ultra haute fréquence («"), une chaîne de stations radar arctiques conçues pour détecter les bombardiers soviétiques volant depuis le pôle Nord, et ils étaient prêts à débourser 100 dollars par transistor (c'était l'époque où une nouvelle voiture pouvait être achetée pour 2000 XNUMX dollars).
Alliage avec , qui contrôlait la localisation des impuretés, a ouvert la possibilité de graver l'ensemble du circuit entièrement sur un seul substrat semi-conducteur - cela a été pensé simultanément par Fairchild Semiconductor et Texas Instruments en 1959. "" de Fairchild a utilisé le dépôt chimique de films métalliques reliant les contacts électriques du transistor. Cela élimine le besoin de créer un câblage manuel, réduit les coûts de production et augmente la fiabilité.
Enfin, en 1960, deux ingénieurs des Bell Labs (John Atalla et Davon Kahn) ont mis en œuvre le concept original de Shockley : un transistor à effet de champ. Une fine couche d’oxyde à la surface du semi-conducteur a pu supprimer efficacement les états de surface, provoquant la pénétration du champ électrique de la grille en aluminium dans le silicium. Ainsi est né le MOSFET [transistor à effet de champ métal-oxyde semi-conducteur] (ou structure MOS, de métal-oxyde-semiconducteur), qui s'est avéré si facile à miniaturiser, et qui est encore utilisé dans presque tous les ordinateurs modernes (ce qui est intéressant , Atalla vient d'Egypte et Kang vient de Corée du Sud, et pratiquement seuls ces deux ingénieurs de toute notre histoire n'ont pas de racines européennes).
Finalement, treize ans après l'invention du premier transistor, quelque chose qui ressemble au transistor de votre ordinateur est apparu. Il était plus facile à fabriquer et consommait moins d’énergie que le transistor à jonction, mais il était assez lent à répondre aux signaux. Ce n’est qu’avec la prolifération des circuits intégrés à grande échelle, comportant des centaines, voire des milliers de composants répartis sur une seule puce, que les avantages des transistors à effet de champ sont apparus.
Illustration tirée du brevet du transistor à effet de champ
L'effet de champ a été la dernière contribution majeure des Bell Labs au développement du transistor. Les grands fabricants d’électronique tels que Bell Laboratories (avec leur Western Electric), General Electric, Sylvania et Westinghouse ont accumulé une quantité impressionnante de recherches sur les semi-conducteurs. De 1952 à 1965, les Laboratoires Bell ont déposé à eux seuls plus de deux cents brevets sur ce sujet. Pourtant, le marché commercial est rapidement tombé entre les mains de nouveaux acteurs tels que Texas Instruments, Transitron et Fairchild.
Le premier marché des transistors était trop petit pour attirer l'attention des grands acteurs : environ 18 millions de dollars par an au milieu des années 1950, contre un marché total de l'électronique de 2 milliards de dollars. Cependant, les laboratoires de recherche de ces géants ont servi par inadvertance de camps d'entraînement. où les jeunes scientifiques pourraient acquérir des connaissances sur les semi-conducteurs avant de vendre leurs services à de plus petites entreprises. Lorsque le marché de l'électronique à tubes a commencé à se contracter sérieusement au milieu des années 1960, il était trop tard pour que les Bell Labs, Westinghouse et les autres puissent rivaliser avec les nouveaux venus.
La transition des ordinateurs vers les transistors
Dans les années 1950, les transistors ont envahi le monde de l’électronique dans quatre domaines majeurs. Les deux premiers étaient des appareils auditifs et des radios portables, pour lesquels la faible consommation d'énergie et la longue durée de vie des piles qui en résulte l'emportaient sur d'autres considérations. Le troisième était l’usage militaire. L'armée américaine avait de grands espoirs dans les transistors en tant que composants fiables et compacts pouvant être utilisés dans tout, des radios de campagne aux missiles balistiques. Cependant, au début, leurs dépenses en transistors ressemblaient plus à un pari sur l’avenir de la technologie qu’à une confirmation de leur valeur d’alors. Et enfin, il y avait aussi l’informatique numérique.
Dans le domaine informatique, les défauts des interrupteurs à tubes à vide étaient bien connus, certains sceptiques avant la guerre estimant même qu'un ordinateur électronique ne pouvait pas devenir un appareil pratique. Lorsque des milliers de lampes étaient rassemblées dans un seul appareil, elles consommaient de l'électricité, produisant d'énormes quantités de chaleur, et en termes de fiabilité, on ne pouvait compter que sur leur épuisement régulier. Par conséquent, le transistor de faible consommation, froid et sans fil est devenu le sauveur des fabricants d’ordinateurs. Ses inconvénients en tant qu'amplificateur (sortie plus bruyante, par exemple) ne posaient pas de problème lorsqu'il était utilisé comme commutateur. Le seul obstacle était le coût, qui, avec le temps, commencerait à baisser fortement.
Toutes les premières expériences américaines avec des ordinateurs transistorisés se sont produites à l'intersection du désir des militaires d'explorer le potentiel d'une nouvelle technologie prometteuse et du désir des ingénieurs de passer à des commutateurs améliorés.
Les Bell Labs ont construit TRADIC pour l'US Air Force en 1954 afin de voir si les transistors permettraient d'installer un ordinateur numérique à bord d'un bombardier, remplaçant ainsi la navigation analogique et aidant à trouver des cibles. Le laboratoire Lincoln du MIT a développé l'ordinateur TX-0 dans le cadre d'un vaste projet de défense aérienne en 1956. La machine utilisait une autre variante du transistor à barrière de surface, bien adaptée au calcul à grande vitesse. Philco a construit son ordinateur SOLO dans le cadre d'un contrat avec la Marine (mais en fait à la demande de la NSA), et l'a terminé en 1958 (en utilisant une autre variante du transistor à barrière de surface).
En Europe occidentale, moins dotée en ressources pendant la guerre froide, la situation était très différente. Des machines comme le Manchester Transistor Computer, (un autre nom inspiré du projet ENIAC, et épelé à l'envers), et autrichien étaient des projets parallèles qui utilisaient les ressources que leurs créateurs pouvaient rassembler, y compris les transistors monopoint de première génération.
Il y a beaucoup de controverses sur le titre du premier ordinateur utilisant des transistors. Bien entendu, tout se résume à choisir les bonnes définitions pour des mots comme « premier », « transistor » et « ordinateur ». En tout cas, on sait où l’histoire se termine. La commercialisation des ordinateurs transistorisés a commencé presque immédiatement. Année après année, les ordinateurs du même prix devenaient de plus en plus puissants, et les ordinateurs de même puissance devenaient moins chers, et ce processus semblait si inexorable qu'il fut élevé au rang de loi, à côté de la gravité et de la conservation de l'énergie. Devons-nous débattre pour savoir quel caillou s’est effondré en premier ?
D'où vient la loi de Moore ?
Alors que nous approchons de la fin de l’histoire du Switch, il convient de se demander : quelle est la cause de cet effondrement ? Pourquoi la loi de Moore existe-t-elle (ou a-t-elle existé - nous en discuterons une autre fois) ? Il n’existe pas de loi de Moore pour les avions ou les aspirateurs, tout comme il n’y en a pas pour les tubes à vide ou les relais.
La réponse comporte deux parties :
- Propriétés logiques d'un commutateur en tant que catégorie d'artefact.
- La capacité d’utiliser des procédés purement chimiques pour fabriquer des transistors.
Tout d’abord, sur l’essence du changement. Les propriétés de la plupart des artefacts doivent satisfaire à un large éventail de contraintes physiques impitoyables. Un avion de ligne doit supporter le poids combiné de plusieurs personnes. Un aspirateur doit être capable d'aspirer une certaine quantité de saleté dans un certain temps à partir d'une certaine zone physique. Les avions et les aspirateurs seraient inutiles s’ils étaient réduits à l’échelle nanométrique.
Un interrupteur, un interrupteur automatique qui n’a jamais été touché par une main humaine, présente beaucoup moins de limitations physiques. Il doit avoir deux états différents et doit pouvoir communiquer avec d’autres commutateurs similaires lorsque leurs états changent. Autrement dit, tout ce qu'il devrait pouvoir faire, c'est s'allumer et s'éteindre. Quelle est la particularité des transistors ? Pourquoi d’autres types de commutateurs numériques n’ont-ils pas connu des améliorations aussi exponentielles ?
Nous arrivons ici au deuxième fait. Les transistors peuvent être fabriqués à l'aide de procédés chimiques sans intervention mécanique. Dès le début, l’utilisation d’impuretés chimiques a été un élément clé de la production de transistors. Vint ensuite le processus planaire, qui élimina la dernière étape mécanique de la production : la fixation des fils. En conséquence, il s’est débarrassé de la dernière limitation physique de la miniaturisation. Les transistors n'avaient plus besoin d'être suffisamment grands pour les doigts humains ou tout autre appareil mécanique. Tout cela a été réalisé par une chimie simple, à une échelle inimaginable : de l'acide pour graver, de la lumière pour contrôler quelles parties de la surface résisteraient à la gravure et de la vapeur pour introduire des impuretés et des films métalliques dans les pistes gravées.
Pourquoi la miniaturisation est-elle nécessaire ? La réduction de la taille a donné toute une galaxie d'effets secondaires agréables : une vitesse de commutation accrue, une consommation d'énergie réduite et le coût des copies individuelles. Ces puissantes incitations ont conduit chacun à rechercher des moyens de réduire davantage les changements. Et l’industrie des semi-conducteurs est passée de la fabrication de commutateurs de la taille d’un ongle à l’emballage de dizaines de millions de commutateurs par millimètre carré au cours de la vie d’un seul homme. De demander huit dollars pour un commutateur à offrir vingt millions de commutateurs pour un dollar.
Puce mémoire Intel 1103 de 1971. Les transistors individuels, mesurant seulement quelques dizaines de micromètres, ne sont plus visibles à l’œil nu. Et depuis lors, ils ont encore diminué mille fois.
Que lire d'autre :
- Ernest Bruan et Stuart MacDonald, Révolution en miniature (1978)
- Michael Riordan et Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Génie brisé (1997)
Source: habr.com