Outros artigos da serie:
- Historia do relevo
- Historia dos ordenadores electrónicos
- Historia do transistor
- Historial de Internet
Durante máis de cen anos, o can analóxico leva movendo o rabo dixital. Os intentos de ampliar as capacidades dos nosos sentidos (visión, oído e incluso, en certo sentido, o tacto) levaron a enxeñeiros e científicos a buscar mellores compoñentes para telégrafos, teléfonos, radios e radares. Foi só por pura sorte que esta busca descubriu o camiño para a creación de novos tipos de máquinas dixitais. E decidín contar a historia desta constante , durante o cal os enxeñeiros de telecomunicacións forneceron as materias primas para os primeiros ordenadores dixitais, e ás veces mesmo deseñaron e construían eles mesmos.
Pero na década de 1960, esta fructífera colaboración chegou ao seu fin, e con ela a miña historia. Os fabricantes de equipos dixitais xa non tiñan que buscar conmutadores novos e mellorados no mundo do telégrafo, teléfono e radio, xa que o propio transistor proporcionaba unha fonte inesgotable de melloras. Ano tras ano cavaron máis e máis, sempre atopando formas de aumentar exponencialmente a velocidade e reducir o custo.
Non obstante, nada disto ocorrería se a invención do transistor se detivese .
Comezo lento
Na prensa popular houbo pouco entusiasmo polo anuncio de Bell Labs sobre a invención do transistor. O 1 de xullo de 1948, The New York Times dedicou tres parágrafos ao evento ao final do seu informe Radio News. Ademais, esta noticia apareceu despois doutras, obviamente consideradas máis importantes: por exemplo, o programa de radio dunha hora "Waltz Time", que debía aparecer na NBC. En retrospectiva, quizais queiramos rir, ou incluso regañar aos autores descoñecidos: como non recoñeceron o suceso que puxo o mundo patas arriba?
Pero a retrospectiva distorsiona a percepción, amplificando os sinais cuxo significado sabemos que se perderon nun mar de ruído nese momento. O transistor de 1948 era moi diferente dos transistores dos ordenadores nos que estás a ler este artigo (a non ser que decidises imprimilo). Diferían tanto que, a pesar do mesmo nome e da liña herdaria ininterrompida que os une, deberían considerarse especies diferentes, se non xéneros diferentes. Teñen diferentes composicións, diferentes estruturas, diferentes principios de funcionamento, sen esquecer a enorme diferenza de tamaño. Só mediante unha reinvención constante o torpe dispositivo construído por Bardeen e Brattain puido transformar o mundo e as nosas vidas.
De feito, o transistor de xermanio de punto único non merecía máis atención da que recibiu. Tiña varios defectos herdados do tubo de baleiro. Era, por suposto, moito máis pequeno que as lámpadas máis compactas. A ausencia dun filamento quente significaba que producía menos calor, consumía menos enerxía, non se queimaba e non necesitaba quentamento antes do seu uso.
Non obstante, a acumulación de sucidade na superficie de contacto provocou fallos e anulou o potencial dunha vida útil máis longa; daba un sinal máis ruidoso; funcionou só a baixas potencias e nun rango de frecuencia estreito; fallou en presenza de calor, frío ou humidade; e non se puido producir uniformemente. Varios transistores creados do mesmo xeito polas mesmas persoas terían características eléctricas moi diferentes. E todo isto tivo un custo oito veces superior ao dunha lámpada estándar.
Non foi ata 1952 cando os laboratorios Bell (e outros titulares de patentes) resolveran o suficiente os problemas de fabricación como para que os transistores de punto único se convertesen en dispositivos prácticos, e aínda entón non se estenderon moito máis aló do mercado dos audífonos, onde a sensibilidade ao prezo era relativamente baixa. . e os beneficios en termos de duración da batería superaron as desvantaxes.
Non obstante, entón xa comezaran os primeiros intentos de converter o transistor en algo mellor e máis útil. En realidade, comezaron moito antes do momento en que o público soubo da súa existencia.
As ambicións de Shockley
A finais de 1947, Bill Shockley fixo unha viaxe a Chicago con gran emoción. Tiña ideas vagas sobre como vencer ao transistor recentemente inventado de Bardeen e Brattain, pero aínda non tivo a oportunidade de desenvolvelos. Así que, en lugar de gozar dun descanso entre as etapas do traballo, pasou o Nadal e o Aninovo no hotel, enchendo coas súas ideas unhas 20 páxinas dun caderno. Entre eles estaba unha proposta para un novo transistor que consistía nun sándwich de semicondutores: unha porción de xermanio tipo p entre dúas pezas de tipo n.
Animado por este as na manga, Shockley reclamou a Bardeen e Brattain o seu regreso a Murray Hill, reclamando todo o mérito de inventar o transistor. Non foi a súa idea do efecto de campo a que levou a Bardeen e Brattain ao laboratorio? Non debería isto facer necesario cederlle todos os dereitos da patente? Non obstante, o truco de Shockley resultou contraproducente: os avogados de patentes de Bell Labs descubriron que o inventor descoñecido, , patentou un amplificador de efecto de campo de semicondutores case 20 anos antes, en 1930. Lilienfeld, por suposto, nunca implementou a súa idea, dado o estado dos materiais nese momento, pero o risco de solapamento era demasiado grande; era mellor evitar por completo mencionar o efecto de campo na patente.
Entón, aínda que Bell Labs deu a Shockley unha parte xenerosa do crédito do inventor, só nomearon a Bardeen e Brattain na patente. Non obstante, o que se fixo non se pode desfacer: as ambicións de Shockley destruíron a súa relación con dous subordinados. Bardeen deixou de traballar no transistor e concentrouse na supercondutividade. Deixou os laboratorios en 1951. Brattain permaneceu alí, pero rexeitou traballar de novo con Shockley e insistiu en ser trasladado a outro grupo.
Debido á súa incapacidade para traballar con outras persoas, Shockley nunca avanzou nos laboratorios, polo que tamén marchou de alí. En 1956, volveu a Palo Alto para crear a súa propia compañía de transistores, Shockley Semiconductor. Antes de marchar, separouse da súa muller Jean mentres esta se recuperaba dun cancro de útero, e involucrouse con Emmy Lanning, coa que pronto casou. Pero das dúas metades do seu soño californiano, unha nova empresa e unha nova esposa, só unha se fixo realidade. En 1957, os seus mellores enxeñeiros, enfadados polo seu estilo de xestión e a dirección na que levaba a empresa, deixárono para fundar unha nova empresa, Fairchild Semiconductor.
Shockley en 1956
Entón, Shockley abandonou a capa baleira da súa empresa e traballou no departamento de enxeñería eléctrica de Stanford. Alí seguiu afastando aos seus colegas (e ao seu amigo máis vello, o físico ) teorías da dexeneración racial que lle interesaban e – temas que foron impopulares nos Estados Unidos desde o final da última guerra, especialmente nos círculos académicos. Gozaba de suscitar polémica, azoutar os medios e provocar protestas. Morreu en 1989, afastado dos seus fillos e colegas, e só foi visitado pola súa sempre devota segunda esposa, Emmy.
Aínda que os seus débiles intentos de emprendemento fracasaron, Shockley plantara unha semente nun chan frutífero. A área da baía de San Francisco produciu moitas pequenas empresas de electrónica, que foron eliminadas co financiamento do goberno federal durante a guerra. Fairchild Semiconductor, a descendencia accidental de Shockley, xerou ducias de novas compañías, algunhas das cales aínda son coñecidas hoxe en día: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). A principios da década de 1970, a zona gañouse o alcumo de "Silicon Valley". Pero agarda un minuto: Bardeen e Brattain crearon o transistor de xermanio. De onde veu o silicio?
Así era o sitio abandonado de Mountain View que antes albergaba Shockley Semiconductor en 2009. Hoxe o edificio foi demolido.
Cara á encrucillada de silicio
O destino dun novo tipo de transistor, inventado por Shockley nun hotel de Chicago, foi moito máis feliz que o do seu inventor. Todo é grazas ao desexo dun home de cultivar cristais semicondutores simples e puros. Gordon Teal, un químico físico de Texas que estudara o entón inútil xermanio para o seu doutoramento, traballou nos laboratorios Bell na década de 30. Despois de coñecer o transistor, convenceuse de que a súa fiabilidade e potencia poderían mellorarse significativamente creándoo a partir dun só cristal puro, en lugar das mesturas policristalinas que entón se usaban. Shockley rexeitou os seus esforzos como un desperdicio de recursos.
Non obstante, Teal persistiu e alcanzou o éxito, coa axuda do enxeñeiro mecánico John Little, creando un dispositivo que extrae unha pequena semente de cristal do xermanio fundido. A medida que o xermanio arrefría ao redor do núcleo, este expandiu a súa estrutura cristalina, creando unha rede semicondutora continua e case pura. Na primavera de 1949, Teal e Little podían crear cristais por encargo, e as probas demostraron que estaban moi por detrás dos seus competidores policristalinos. En particular, os transportadores menores engadidos a eles poderían sobrevivir no interior durante cen microsegundos ou incluso máis (en comparación con non máis de dez microsegundos noutras mostras de cristais).
Agora Teal podía permitirse máis recursos e reclutou máis persoas para o seu equipo, entre os que estaba outro físico químico que chegou a Bell Labs desde Texas: Morgan Sparks. Comezaron a alterar a fusión para facer xermanio tipo p ou tipo n engadindo esferas de impurezas adecuadas. Nun ano, melloraran a tecnoloxía ata tal punto que podían cultivar un bocadillo de xermanio npn directamente no fundido. E funcionou exactamente como predixo Shockley: un sinal eléctrico do material de tipo p modulaba a corrente eléctrica entre dous condutores conectados ás pezas de tipo n que o rodeaban.
Morgan Sparks e Gordon Teal nun banco de traballo de Bell Labs
Este transistor de unión crece supera ao seu antepasado de contacto único en case todos os sentidos. En particular, era máis fiable e previsible, producía moito menos ruído (e polo tanto era máis sensible) e era extremadamente eficiente enerxéticamente: consumía un millón de veces menos enerxía que un tubo de baleiro típico. En xullo de 1951, Bell Labs realizou outra rolda de prensa para anunciar o novo invento. Mesmo antes de que o primeiro transistor lograse chegar ao mercado, xa se volveu esencialmente irrelevante.
E aínda así, isto foi só o comezo. En 1952, General Electric (GE) anunciou o desenvolvemento dun novo proceso para fabricar transistores de unión, o método de fusión. No seu marco, dúas bólas de indio (un doante tipo p) fundíronse a ambos os dous lados dunha fina porción de xermanio tipo n. Este proceso era máis sinxelo e máis barato que as unións en crecemento nunha aliaxe; un transistor deste tipo daba menos resistencia e admitía frecuencias máis altas.
Transistores cultivados e fundidos
Ao ano seguinte, Gordon Teal decidiu volver ao seu estado natal e traballou en Texas Instruments (TI) en Dallas. A compañía foi fundada como Geophysical Services, Inc., e inicialmente produciu equipos para a exploración de petróleo, TI abrira unha división de electrónica durante a guerra e agora estaba entrando no mercado de transistores baixo licenza de Western Electric (a división de fabricación de Bell Labs).
Teal trouxo consigo novas habilidades aprendidas nos laboratorios: a capacidade de medrar e monocristais de silicio. A debilidade máis obvia do xermanio foi a súa sensibilidade á temperatura. Cando se expuxeron á calor, os átomos de xermanio do cristal desprenden rapidamente electróns libres e converteuse cada vez máis nun condutor. A unha temperatura de 77 °C deixou de funcionar como un transistor. O obxectivo principal das vendas de transistores era o exército, un consumidor potencial con baixa sensibilidade ao prezo e unha enorme necesidade de compoñentes electrónicos estables, fiables e compactos. Non obstante, o xermanio sensible á temperatura non sería útil en moitas aplicacións militares, especialmente no campo aeroespacial.
O silicio era moito máis estable, pero tiña un punto de fusión moito máis elevado, comparable ao do aceiro. Isto causou enormes dificultades, dado que eran necesarios cristais moi puros para crear transistores de alta calidade. O silicio fundido quente absorbería os contaminantes do crisol no que estivese. Teel e o seu equipo de TI foron capaces de superar estes desafíos utilizando mostras de silicio ultrapuro de DuPont. En maio de 1954, nunha conferencia do Instituto de Enxeñaría de Radio en Dayton, Ohio, Teal demostrou que os novos dispositivos de silicio producidos no seu laboratorio seguían funcionando mesmo cando estaban inmersos en aceite quente.
Arribados exitosos
Finalmente, uns sete anos despois de que se inventase o transistor, poderíase fabricar a partir do material co que se convertera en sinónimo. E pasará aproximadamente o mesmo tempo antes da aparición de transistores que se asemellan aproximadamente á forma utilizada nos nosos microprocesadores e chips de memoria.
En 1955, os científicos de Bell Labs aprenderon con éxito a fabricar transistores de silicio cunha nova tecnoloxía de dopaxe: en lugar de engadir bolas sólidas de impurezas a un líquido fundido, introduciron aditivos gasosos na superficie sólida do semicondutor.). Ao controlar coidadosamente a temperatura, a presión e a duración do procedemento, conseguiron exactamente a profundidade e o grao de dopaxe necesarios. Un maior control sobre o proceso de fabricación deu un maior control sobre as propiedades eléctricas do produto final. Máis importante aínda, a difusión térmica permitiu producir o produto en lotes: podíase dopar unha gran lousa de silicio e logo cortala en transistores. O exército proporcionou financiamento aos Laboratorios Bell porque a creación da produción requiriu altos custos iniciais. Necesitaban un novo produto para un enlace de radar de alerta temperá de ultra-alta frecuencia (""), unha cadea de estacións de radar do Ártico deseñadas para detectar bombardeiros soviéticos que voaban desde o Polo Norte, e estaban dispostos a desembolsar 100 dólares por transistor (eran os días nos que se podía comprar un coche novo por 2000 dólares).
Aliando con , que controlaba a localización das impurezas, abriu a posibilidade de gravar todo o circuíto enteiramente nun substrato de semicondutores - isto foi pensado simultáneamente por Fairchild Semiconductor e Texas Instruments en 1959. "" de Fairchild utilizou a deposición química de películas metálicas que conectan os contactos eléctricos do transistor. Eliminou a necesidade de crear cableado manual, reduciu os custos de produción e aumentou a fiabilidade.
Finalmente, en 1960, dous enxeñeiros de Bell Labs (John Atalla e Davon Kahn) implementaron o concepto orixinal de Shockley para un transistor de efecto de campo. Unha fina capa de óxido na superficie do semicondutor foi capaz de suprimir eficazmente os estados da superficie, facendo que o campo eléctrico da porta de aluminio penetrase no silicio. Así naceu o MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (ou estrutura MOS, de metal-oxide-semiconductor), que resultou ser tan fácil de miniaturizar, e que aínda se usa en case todos os ordenadores modernos (curiosamente). , Atalla foi procedente de Exipto, e Kang é de Corea do Sur, e practicamente só estes dous enxeñeiros de toda a nosa historia non teñen raíces europeas).
Finalmente, trece anos despois da invención do primeiro transistor, apareceu algo parecido ao transistor do teu ordenador. Era máis doado de fabricar e usaba menos potencia que o transistor de unión, pero era bastante lento para responder aos sinais. Foi só coa proliferación de circuítos integrados a gran escala, con centos ou miles de compoñentes situados nun só chip, que as vantaxes dos transistores de efecto de campo saíron á palestra.
Ilustración da patente do transistor de efecto de campo
O efecto de campo foi a última gran contribución de Bell Labs ao desenvolvemento do transistor. Os principais fabricantes de produtos electrónicos como Bell Laboratories (coa súa Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse acumularon unha cantidade impresionante de investigacións sobre semicondutores. De 1952 a 1965, só os Laboratorios Bell rexistraron máis de duascentas patentes sobre este tema. Con todo, o mercado comercial caeu rapidamente en mans de novos xogadores como Texas Instruments, Transitron e Fairchild.
O mercado dos primeiros transistores era demasiado pequeno para atraer a atención dos principais actores: uns 18 millóns de dólares ao ano a mediados da década de 1950, en comparación cun mercado electrónico total de 2 millóns de dólares, pero os laboratorios de investigación destes xigantes serviron como campos de adestramento inadvertidos. onde os novos científicos poderían absorber o coñecemento dos semicondutores antes de pasar a vender os seus servizos a empresas máis pequenas. Cando o mercado da electrónica de tubos comezou a diminuír seriamente a mediados da década de 1960, era demasiado tarde para que Bell Labs, Westinghouse e o resto competisen cos advenedizos.
A transición dos ordenadores aos transistores
Na década de 1950, os transistores invadiron o mundo da electrónica en catro grandes áreas. Os dous primeiros foron audífonos e radios portátiles, onde o baixo consumo de enerxía e a longa duración da batería resultante anularon outras consideracións. O terceiro foi o uso militar. O exército dos Estados Unidos tiña grandes esperanzas nos transistores como compoñentes fiables e compactos que podían usarse en todo, desde radios de campo ata mísiles balísticos. Non obstante, nos primeiros tempos, o seu gasto en transistores parecía máis unha aposta polo futuro da tecnoloxía que unha confirmación do seu valor daquela. E por último, tamén estaba a informática dixital.
No campo da informática, as deficiencias dos interruptores de tubo de baleiro eran ben coñecidas, con algúns escépticos antes da guerra incluso crendo que un ordenador electrónico non podía ser un dispositivo práctico. Cando se recolleron miles de lámpadas nun mesmo dispositivo, consumían electricidade, producindo enormes cantidades de calor e, en termos de fiabilidade, só se podía confiar no seu quemado habitual. Polo tanto, o transistor de baixa potencia, fresco e sen rosca converteuse no salvador dos fabricantes de ordenadores. As súas desvantaxes como amplificador (saída máis ruidosa, por exemplo) non eran un problema cando se usaba como interruptor. O único obstáculo era o custo, e no seu momento comezaría a baixar moito.
Todos os primeiros experimentos estadounidenses con computadoras transistorizadas ocorreron na intersección do desexo dos militares de explorar o potencial dunha nova tecnoloxía prometedora e o desexo dos enxeñeiros de pasar a interruptores mellorados.
Bell Labs construíu TRADIC para a Forza Aérea dos Estados Unidos en 1954 para ver se os transistores permitirían instalar unha computadora dixital a bordo dun bombardeiro, substituíndo a navegación analóxica e axudando na adquisición de obxectivos. O MIT Lincoln Laboratory desenvolveu o ordenador TX-0 como parte dun extenso proxecto de defensa aérea en 1956. A máquina utilizaba outra variante do transistor de barreira de superficie, moi axeitado para a computación de alta velocidade. Philco construíu o seu ordenador SOLO baixo un contrato coa Mariña (pero en realidade a petición da NSA), rematándoo en 1958 (usando outra variante do transistor de barreira de superficie).
Na Europa occidental, menos dotada de recursos durante a Guerra Fría, a historia era moi diferente. Máquinas como o Manchester Transistor Computer, (outro nome inspirado no proxecto ENIAC, e escrito ao revés), e austríaco foron proxectos paralelos que utilizaron os recursos que os seus creadores podían xuntar, incluídos os transistores de punto único de primeira xeración.
Hai moita controversia sobre o título do primeiro ordenador que utilizou transistores. Todo se reduce, por suposto, a elixir as definicións correctas para palabras como "primeiro", "transistor" e "ordenador". En calquera caso, sabemos onde remata a historia. A comercialización de ordenadores transistorizados comezou case de inmediato. Ano tras ano, os ordenadores polo mesmo prezo facíanse cada vez máis potentes e os ordenadores da mesma potencia facíanse máis baratos, e este proceso parecía tan inexorable que foi elevado ao rango de lei, xunto á gravidade e á conservación da enerxía. Hai que discutir sobre cal seixo foi o primeiro en derrubarse?
De onde vén a lei de Moore?
Cando nos achegamos ao final da historia do cambio, paga a pena preguntarnos: que provocou este colapso? Por que existe a lei de Moore (ou existía; discutirémolo noutra vez)? Non existe a lei de Moore para os avións ou as aspiradoras, igual que non hai ninguén para os tubos de baleiro ou os relés.
A resposta ten dúas partes:
- Propiedades lóxicas dun interruptor como categoría de artefactos.
- A capacidade de utilizar procesos puramente químicos para fabricar transistores.
En primeiro lugar, sobre a esencia do cambio. As propiedades da maioría dos artefactos deben satisfacer unha ampla gama de restricións físicas implacables. Un avión de pasaxeiros debe soportar o peso combinado de moitas persoas. Un aspirador debe ser capaz de aspirar unha certa cantidade de sucidade nun determinado tempo dunha determinada zona física. Os avións e as aspiradoras serían inútiles se se reducen a nanoescala.
Un interruptor, un interruptor automático que nunca foi tocado por unha man humana, ten moitas menos limitacións físicas. Debe ter dous estados diferentes e debe poder comunicarse con outros interruptores similares cando os seus estados cambien. É dicir, o único que debería poder facer é acender e apagar. Que teñen de especial os transistores? Por que outros tipos de interruptores dixitais non experimentaron melloras tan exponenciais?
Aquí chegamos ao segundo feito. Os transistores pódense fabricar mediante procesos químicos sen intervención mecánica. Desde o principio, un elemento clave da produción de transistores foi o uso de impurezas químicas. Despois veu o proceso plano, que eliminou o último paso mecánico da produción: unir os fíos. Como resultado, desfíxose da última limitación física na miniaturización. Os transistores xa non necesitaban ser o suficientemente grandes para os dedos humanos ou calquera dispositivo mecánico. Todo fíxose mediante química simple, a unha escala inimaxinablemente pequena: ácido para gravar, luz para controlar que partes da superficie resistirían o gravado e vapor para introducir impurezas e películas metálicas nas pistas gravadas.
Por que é necesaria a miniaturización? A redución do tamaño deu a toda unha galaxia de agradables efectos secundarios: aumento da velocidade de conmutación, redución do consumo de enerxía e custo das copias individuais. Estes poderosos incentivos levaron a todos a buscar formas de reducir aínda máis os interruptores. E a industria de semicondutores pasou de fabricar interruptores do tamaño dunha uña a envasar decenas de millóns de interruptores por milímetro cadrado na vida dun home. Desde pedir oito dólares por un cambio ata ofrecer vinte millóns de interruptores por un dólar.
Chip de memoria Intel 1103 de 1971. Os transistores individuais, de só decenas de micrómetros de tamaño, xa non son visibles para o ollo. E dende entón diminuíron outras mil veces.
Que máis ler:
- Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolución en miniatura (1978)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Fonte: www.habr.com