Ostali članci u seriji:
- Povijest releja
- Povijest elektroničkih računala
- Povijest tranzistora
- povijest interneta
Više od stotinu godina analogni pas maše svojim digitalnim repom. Pokušaji da proširimo mogućnosti naših osjetila - vida, sluha, pa čak, u određenom smislu, i dodira - naveli su inženjere i znanstvenike u potragu za boljim komponentama za telegrafe, telefone, radije i radare. Samo je pukom srećom ova potraga otkrila put do stvaranja novih vrsta digitalnih strojeva. I odlučio sam ispričati priču o ovoj konstanti , tijekom kojeg su inženjeri telekomunikacija dobavljali sirovine za prva digitalna računala, a ponekad čak i sami dizajnirali i gradili ta računala.
No do 1960-ih ova je plodna suradnja završila, a s njom i moja priča. Proizvođači digitalne opreme više nisu morali tražiti nove, poboljšane sklopke u svijetu telegrafa, telefona i radija, jer je sam tranzistor pružao neiscrpan izvor poboljšanja. Iz godine u godinu kopali su sve dublje i dublje, uvijek pronalazeći načine za eksponencijalno povećanje brzine i smanjenje troškova.
Međutim, ništa od ovoga ne bi se dogodilo da se izum tranzistora zaustavio na .
Lagani početak
Bilo je malo entuzijazma u popularnom tisku za najavu Bell Labsa o izumu tranzistora. Dana 1. srpnja 1948. The New York Times posvetio je tri odlomka tom događaju na dnu svog izvješća Radio Newsa. Štoviše, ova se vijest pojavila nakon drugih, očito smatranih važnijima: primjerice, jednosatne radijske emisije “Waltz Time” koja se trebala pojaviti na NBC-u. Gledajući unatrag, možda ćemo se htjeti nasmijati, pa čak i prekoriti nepoznate autore – kako su uspjeli prepoznati događaj koji je preokrenuo svijet?
Ali naknadna pamet iskrivljuje percepciju, pojačavajući signale za koje znamo da su izgubljeni u moru buke u to vrijeme. Tranzistor iz 1948. bio je vrlo različit od tranzistora računala na kojima čitate ovaj članak (osim ako ste ga odlučili isprintati). Toliko su se razlikovali da bi ih se, unatoč istom imenu i neprekinutoj liniji nasljeđivanja koja ih povezuje, trebalo smatrati različitim vrstama, ako ne i različitim rodovima. Imaju različite sastave, različite strukture, različite principe rada, a da ne spominjemo veliku razliku u veličini. Nespretna naprava koju su konstruirali Bardeen i Brattain mogla je promijeniti svijet i naše živote samo stalnim izmišljanjem.
Zapravo, germanijski tranzistor s jednom točkom nije zaslužio više pozornosti nego što je dobio. Imao je nekoliko nedostataka naslijeđenih od vakuumske cijevi. Bio je, naravno, mnogo manji od najkompaktnijih svjetiljki. Odsustvo vruće niti značilo je da proizvodi manje topline, troši manje energije, ne izgara i ne zahtijeva zagrijavanje prije upotrebe.
Međutim, nakupljanje prljavštine na kontaktnoj površini dovelo je do kvarova i poništilo mogućnost duljeg vijeka trajanja; davao je bučniji signal; radio samo pri malim snagama iu uskom frekvencijskom rasponu; nije uspio u prisutnosti topline, hladnoće ili vlage; i nije se mogla proizvesti jednolično. Nekoliko tranzistora stvorenih na isti način od strane istih ljudi imalo bi potpuno različite električne karakteristike. A sve to koštalo je osam puta više od standardne svjetiljke.
Tek 1952. Bell Labs (i drugi nositelji patenata) riješili su proizvodne probleme dovoljno da tranzistori s jednom točkom postanu praktični uređaji, a čak ni tada se nisu proširili mnogo izvan tržišta slušnih pomagala, gdje je osjetljivost na cijenu bila relativno niska ., a prednosti u pogledu trajanja baterije nadmašile su nedostatke.
Međutim, tada su već počeli prvi pokušaji da se tranzistor pretvori u nešto bolje i korisnije. One su zapravo počele puno ranije od trenutka kada je javnost saznala za njezino postojanje.
Shockleyjeve ambicije
Potkraj 1947. Bill Shockley je silno uzbuđen otputovao u Chicago. Imao je nejasne ideje o tome kako pobijediti nedavno izumljeni tranzistor Bardeena i Brattaina, ali ih još nije imao priliku razviti. Tako je, umjesto da uživa u pauzi između faza rada, Božić i Novu godinu proveo u hotelu, ispunjavajući svojim idejama dvadesetak stranica bilježnice. Među njima je bio prijedlog za novi tranzistor koji se sastojao od poluvodičkog sendviča - kriške germanija p-tipa između dva komada n-tipa.
Ohrabren ovim asom u rukavu, Shockley je od Bardeena i Brattaina zatražio njihov povratak u Murray Hill, prisvajajući sve zasluge za izum tranzistora. Nije li Bardeena i Brattaina dovela u laboratorij njegova ideja o efektu polja? Ne bi li zbog toga trebalo prenijeti sva prava na patent na njega? Međutim, Shockleyev trik se izjalovio: patentni odvjetnici Bell Labsa otkrili su da nepoznati izumitelj, , patentirao je poluvodičko pojačalo s efektom polja gotovo 20 godina ranije, 1930. godine. Lilienfeld svoju ideju, naravno, nikada nije proveo u djelo, s obzirom na stanje materijala u to vrijeme, ali rizik od preklapanja bio je prevelik - bilo je bolje potpuno izbjeći spominjanje efekt polja u patentu
Dakle, iako je Bell Labs dao Shockleyu velikodušan udio u zaslugama izumitelja, u patentu su naveli samo Bardeena i Brattaina. Međutim, ono što je učinjeno ne može se poništiti: Shockleyjeve ambicije uništile su njegov odnos s dvojicom podređenih. Bardeen je prestao raditi na tranzistoru i usredotočio se na supravodljivost. Napustio je laboratorije 1951. Brattain je ostao ondje, ali je odbio ponovno raditi sa Shockleyjem i inzistirao je da ga prebace u drugu grupu.
Zbog nemogućnosti da radi s drugim ljudima, Shockley nikada nije napredovao u laboratorijima, pa je i on odatle otišao. Godine 1956. vratio se kući u Palo Alto kako bi osnovao vlastitu tvrtku za proizvodnju tranzistora, Shockley Semiconductor. Prije odlaska rastavio se od supruge Jean dok se oporavljala od raka maternice te se spetljao s Emmy Lanning s kojom se ubrzo oženio. Ali od dvije polovice njegova kalifornijskog sna – nove tvrtke i nove žene – samo se jedna ostvarila. Godine 1957. njegovi najbolji inženjeri, ljuti zbog njegovog načina upravljanja i smjera u kojem je vodio tvrtku, napustili su ga i osnovali novu tvrtku, Fairchild Semiconductor.
Shockley 1956. godine
Tako je Shockley napustio praznu ljusku svoje tvrtke i zaposlio se u odjelu elektrotehnike na Stanfordu. Tamo je nastavio otuđivati svoje kolege (i svog najstarijeg prijatelja, fizičara ) teorije rasne degeneracije koje su ga zanimale i – teme koje su bile nepopularne u Sjedinjenim Državama od kraja prošlog rata, posebice u akademskim krugovima. Uživao je u raspirivanju kontroverzi, uzburkavanju medija i izazivanju prosvjeda. Umro je 1989., otuđen od svoje djece i kolega, a posjećivala ga je samo njegova uvijek odana druga žena, Emmy.
Iako su njegovi slabašni pokušaji poduzetništva propali, Shockley je zasadio sjeme u plodno tlo. Područje zaljeva San Francisca proizvelo je mnogo malih elektroničkih tvrtki, koje su tijekom rata bile preplavljene financiranjem savezne vlade. Fairchild Semiconductor, Shockleyev slučajni izdanak, iznjedrio je desetke novih tvrtki, od kojih je nekoliko i danas poznato: Intel i Advanced Micro Devices (AMD). Do ranih 1970-ih to je područje dobilo podrugljiv nadimak "Silicijska dolina". Ali čekajte malo - Bardeen i Brattain stvorili su germanijski tranzistor. Odakle silicij?
Ovako je 2009. godine izgledalo napušteno mjesto Mountain Viewa u kojem je nekada bio smješten Shockley Semiconductor. Danas je zgrada srušena.
Prema Silicon Crossroadsu
Sudbina nove vrste tranzistora, koju je Shockley izumio u jednom čikaškom hotelu, bila je mnogo sretnija od sudbine njegovog izumitelja. Sve je to zahvaljujući želji jednog čovjeka za uzgojem pojedinačnih, čistih poluvodičkih kristala. Gordon Teal, fizikalni kemičar iz Teksasa koji je proučavao tada beskorisni germanij za svoj doktorat, zaposlio se u Bell Labsu 30-ih. Saznavši za tranzistor, postao je uvjeren da se njegova pouzdanost i snaga mogu značajno poboljšati stvaranjem iz čistog monokristala, a ne iz polikristalnih smjesa koje su se tada koristile. Shockley je odbacio njegove napore kao rasipanje resursa.
Međutim, Teal je ustrajao i postigao uspjeh, uz pomoć strojarskog inženjera Johna Littlea, stvorivši uređaj koji iz rastaljenog germanija izvlači sićušno kristalno zrno. Kako se germanij hladio oko jezgre, proširio je svoju kristalnu strukturu, stvarajući kontinuiranu i gotovo čistu poluvodičku rešetku. Do proljeća 1949. Teal i Little mogli su stvarati kristale po narudžbi, a testovi su pokazali da su daleko iza svojih polikristalnih konkurenata. Konkretno, manji prijenosnici koji su im dodani mogli su preživjeti unutra stotinjak mikrosekundi ili čak i duže (nasuprot ne više od deset mikrosekundi u drugim uzorcima kristala).
Sada si je Teal mogao priuštiti više resursa, te je u svoj tim angažirao više ljudi, među kojima je bio još jedan fizikalni kemičar koji je u Bell Labs došao iz Teksasa - Morgan Sparks. Počeli su mijenjati talinu kako bi napravili germanij p-tipa ili n-tipa dodavanjem kuglica odgovarajućih nečistoća. U roku od godinu dana unaprijedili su tehnologiju do te mjere da su mogli uzgajati germanijev n-p-n sendvič izravno u talini. I radilo je točno onako kako je Shockley predvidio: električni signal iz materijala p-tipa modulirao je električnu struju između dva vodiča spojena na dijelove n-tipa koji ga okružuju.
Morgan Sparks i Gordon Teal za radnim stolom u Bell Labsu
Ovaj povećani spojni tranzistor nadmašuje svog prethodnika s kontaktom s jednom točkom u gotovo svakom pogledu. Konkretno, bio je pouzdaniji i predvidljiviji, proizvodio je mnogo manje buke (i stoga je bio osjetljiviji) i bio je iznimno energetski učinkovit - trošio je milijun puta manje energije od tipične vakuumske cijevi. U srpnju 1951. Bell Labs održao je još jednu konferenciju za tisak kako bi najavio novi izum. Čak i prije nego što je prvi tranzistor uspio doći na tržište, već je postao suštinski nebitan.
A ipak je ovo bio tek početak. Godine 1952. General Electric (GE) najavio je razvoj novog procesa za izradu spojnih tranzistora, metodu fuzije. U njegovu su okviru dvije kuglice indija (donor p-tipa) spojene s obje strane tanke kriške germanija n-tipa. Taj je proces bio jednostavniji i jeftiniji od rasta spojeva u leguri; takav je tranzistor davao manji otpor i podržavao više frekvencije.
Grown i spojeni tranzistori
Sljedeće godine Gordon Teal se odlučio vratiti u svoju državu i zaposlio se u Texas Instruments (TI) u Dallasu. Tvrtka je osnovana kao Geophysical Services, Inc., i isprva je proizvodila opremu za istraživanje nafte, TI je otvorio odjel elektronike tijekom rata, a sada je ulazio na tržište tranzistora pod licencom Western Electrica (proizvodni odjel Bell Labsa).
Teal je sa sobom donio nove vještine koje je naučio u laboratorijima: sposobnost rasta i monokristali silicija. Najočitija slabost germanija bila je njegova osjetljivost na temperaturu. Kad su izloženi toplini, atomi germanija u kristalu brzo odbacuju slobodne elektrone i on se sve više pretvara u vodič. Na temperaturi od 77 °C potpuno je prestao raditi kao tranzistor. Glavna meta prodaje tranzistora bila je vojska - potencijalni potrošač s niskom cjenovnom osjetljivošću i velikom potrebom za stabilnim, pouzdanim i kompaktnim elektroničkim komponentama. Međutim, germanij osjetljiv na temperaturu ne bi bio koristan u mnogim vojnim primjenama, osobito u području zrakoplovstva.
Silicij je bio puno stabilniji, ali je došao po cijenu mnogo višeg tališta, usporedivog s onom čelika. To je izazvalo goleme poteškoće, s obzirom na to da su za stvaranje visokokvalitetnih tranzistora bili potrebni vrlo čisti kristali. Vrući rastaljeni silicij apsorbirao bi zagađivače iz lončića u kojem god da se nalazio. Teel i njegov tim u TI-ju uspjeli su prevladati te izazove koristeći uzorke ultra čistog silicija iz DuPonta. U svibnju 1954., na konferenciji Instituta za radiotehniku u Daytonu, Ohio, Teal je pokazao da novi silikonski uređaji proizvedeni u njegovom laboratoriju nastavljaju raditi čak i kada su uronjeni u vruće ulje.
Uspješni početnici
Konačno, nekih sedam godina nakon što je tranzistor prvi put izumljen, mogao se napraviti od materijala za koji je postao sinonim. Otprilike isto toliko vremena će proći prije nego što se pojave tranzistori koji otprilike nalikuju obliku koji se koristi u našim mikroprocesorima i memorijskim čipovima.
Godine 1955. znanstvenici Bell Labsa uspješno su naučili izraditi silicijske tranzistore s novom tehnologijom dopinga - umjesto dodavanja čvrstih kuglica nečistoća u tekuću talinu, uveli su plinovite aditive u čvrstu površinu poluvodiča (). Pažljivom kontrolom temperature, tlaka i trajanja postupka postigli su točno potrebnu dubinu i stupanj dopinga. Veća kontrola nad procesom proizvodnje dala je veću kontrolu nad električnim svojstvima konačnog proizvoda. Što je još važnije, toplinska difuzija omogućila je proizvodnju proizvoda u serijama - mogli ste naliti veliku ploču silicija i zatim je izrezati na tranzistore. Vojska je osigurala sredstva za Bell Laboratories jer je postavljanje proizvodnje zahtijevalo visoke početne troškove. Trebao im je novi proizvod za ultravisoku frekventnu radarsku vezu za rano upozoravanje ("“), lanac arktičkih radarskih postaja namijenjenih otkrivanju sovjetskih bombardera koji lete sa Sjevernog pola, a bili su spremni izdvojiti 100 dolara po tranzistoru (to su bili dani kada se novi automobil mogao kupiti za 2000 dolara).
Legiranje sa , koji je kontrolirao mjesto nečistoća, otvorio je mogućnost graviranja cijelog strujnog kruga u cijelosti na jednoj poluvodičkoj podlozi - o tome su 1959. godine istodobno razmišljali Fairchild Semiconductor i Texas Instruments." iz Fairchilda koristio je kemijsko taloženje metalnih filmova koji povezuju električne kontakte tranzistora. Uklonio je potrebu za ručnim ožičenjem, smanjio troškove proizvodnje i povećao pouzdanost.
Konačno, 1960. godine, dva inženjera Bell Labsa (John Atalla i Davon Kahn) implementirali su Shockleyjev originalni koncept za tranzistor s efektom polja. Tanki sloj oksida na površini poluvodiča uspio je učinkovito potisnuti površinska stanja, uzrokujući da električno polje iz aluminijskih vrata prodre u silicij. Tako je rođen MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect tranzistor] (ili MOS struktura, od metal-oxide-semiconductor), za koji se pokazalo da ga je tako lako minijaturizirati, a koji se još uvijek koristi u gotovo svim modernim računalima (zanimljivo , Atalla dolazi iz Egipta, a Kang iz Južne Koreje i praktički samo ova dva inženjera iz cijele naše povijesti nemaju europske korijene).
Napokon, trinaest godina nakon izuma prvog tranzistora, pojavilo se nešto nalik na tranzistor u vašem računalu. Bio je lakši za proizvodnju i koristio je manje energije od spojnog tranzistora, ali je dosta sporo reagirao na signale. Tek s proliferacijom velikih integriranih sklopova, sa stotinama ili tisućama komponenti smještenih na jednom čipu, prednosti tranzistora s efektom polja došle su do izražaja.
Ilustracija iz patenta tranzistora s efektom polja
Efekt polja bio je posljednji veliki doprinos Bell Labsa razvoju tranzistora. Veliki proizvođači elektronike kao što su Bell Laboratories (sa svojim Western Electricom), General Electric, Sylvania i Westinghouse prikupili su impresivnu količinu istraživanja poluvodiča. Od 1952. do 1965. samo su Bell Laboratories registrirali više od dvije stotine patenata na ovu temu. Ipak, komercijalno tržište brzo je palo u ruke novih igrača kao što su Texas Instruments, Transitron i Fairchild.
Rano tržište tranzistora bilo je premalo da bi privuklo pozornost glavnih igrača: oko 18 milijuna dolara godišnje sredinom 1950-ih, u usporedbi s ukupnim tržištem elektronike od 2 milijarde dolara. Međutim, istraživački laboratoriji ovih divova služili su kao nenamjerni kampovi za obuku gdje bi mladi znanstvenici mogli apsorbirati znanje o poluvodiču prije nego pređu na prodaju svojih usluga manjim tvrtkama. Kada se tržište cijevne elektronike počelo ozbiljno smanjivati sredinom 1960-ih, bilo je prekasno za Bell Labs, Westinghouse i ostale da se natječu s početnicima.
Prijelaz računala na tranzistore
U 1950-ima tranzistori su osvojili svijet elektronike u četiri glavna područja. Prva dva bila su slušna pomagala i prijenosni radio, gdje su niska potrošnja energije i rezultirajući dugi vijek trajanja baterije nadjačali ostala razmatranja. Treća je bila vojna uporaba. Američka vojska polagala je velike nade u tranzistore kao pouzdane, kompaktne komponente koje se mogu koristiti u svemu, od terenskih radija do balističkih projektila. Međutim, u ranim danima, njihova potrošnja na tranzistore više je izgledala kao oklada u budućnost tehnologije nego potvrda njihove tadašnje vrijednosti. I na kraju, tu je i digitalno računalstvo.
U području računala, nedostaci sklopki s vakuumskim cijevima bili su dobro poznati, a neki su skeptici prije rata čak vjerovali da se elektroničko računalo ne može učiniti praktičnim uređajem. Kada su tisuće lampi skupljene u jednom uređaju, one su trošile električnu energiju, proizvodeći ogromne količine topline, a što se tiče pouzdanosti, moglo se pouzdati samo u njihovo redovito pregaranje. Stoga je tranzistor male snage, hladan i bez navoja postao spasitelj proizvođača računala. Njegovi nedostaci kao pojačala (bučniji izlaz, na primjer) nisu bili toliki problem kada se koristio kao prekidač. Jedina prepreka bio je trošak, a s vremenom bi počeo naglo padati.
Svi rani američki eksperimenti s tranzistoriziranim računalima dogodili su se na sjecištu želje vojske da istraži potencijal obećavajuće nove tehnologije i želje inženjera da prijeđu na poboljšane sklopke.
Bell Labs izgradio je TRADIC za američko ratno zrakoplovstvo 1954. kako bi vidio hoće li tranzistori omogućiti instaliranje digitalnog računala u bombarder, zamjenjujući analognu navigaciju i pomažući u pronalaženju ciljeva. Laboratorij MIT Lincoln razvio je računalo TX-0 kao dio opsežnog projekta protuzračne obrane 1956. godine. Stroj je koristio drugu varijantu površinskog barijernog tranzistora, vrlo prikladnog za računalstvo velike brzine. Philco je napravio svoje SOLO računalo prema ugovoru s mornaricom (ali zapravo na zahtjev NSA), dovršivši ga 1958. (koristeći drugu varijantu površinskog barijernog tranzistora).
U zapadnoj Europi, koja je bila manje obdarena resursima tijekom Hladnog rata, priča je bila sasvim drugačija. Strojevi poput Manchester Transistor Computer, (drugi naziv inspiriran projektom ENIAC, a napisan unatrag), i austrijski bili su sporedni projekti koji su koristili resurse koje su njihovi tvorci mogli skupiti—uključujući prvu generaciju tranzistora s jednom točkom.
Mnogo je kontroverzi oko naslova prvog računala koje je koristilo tranzistore. Sve se svodi, naravno, na odabir pravih definicija za riječi kao što su "prvi", "tranzistor" i "računalo". U svakom slučaju, znamo gdje priča završava. Komercijalizacija tranzistoriziranih računala počela je gotovo odmah. Iz godine u godinu računala za istu cijenu postajala su sve moćnija, a računala iste snage sve jeftinija, a taj se proces činio toliko neumoljivim da je uzdignut u rang zakona, uz gravitaciju i očuvanje energije. Trebamo li se raspravljati oko toga koji se kamenčić prvi srušio?
Odakle dolazi Mooreov zakon?
Kako se približavamo kraju priče o prekidaču, vrijedi se zapitati: što je uzrokovalo ovaj kolaps? Zašto Mooreov zakon postoji (ili je postojao - o tome ćemo drugi put)? Ne postoji Mooreov zakon za avione ili usisavače, kao što ne postoji za vakuumske cijevi ili releje.
Odgovor ima dva dijela:
- Logička svojstva prekidača kao kategorije artefakta.
- Sposobnost korištenja čisto kemijskih procesa za izradu tranzistora.
Prvo, o suštini prekidača. Svojstva većine artefakata moraju zadovoljiti širok raspon neumoljivih fizičkih ograničenja. Putnički zrakoplov mora nositi ukupnu težinu mnogih ljudi. Usisavač mora biti u stanju usisati određenu količinu prljavštine u određenom vremenu iz određenog fizičkog područja. Zrakoplovi i usisavači bili bi beskorisni kad bi se sveli na nanomjeru.
Prekidač, automatski prekidač koji nikada nije dotakla ljudska ruka, ima puno manje fizičkih ograničenja. Mora imati dva različita stanja i mora moći komunicirati s drugim sličnim prekidačima kada se njihova stanja promijene. Odnosno, sve što bi trebao biti u mogućnosti je uključiti se i isključiti. Što je tako posebno kod tranzistora? Zašto druge vrste digitalnih sklopki nisu doživjele takva eksponencijalna poboljšanja?
Ovdje dolazimo do druge činjenice. Tranzistori se mogu izraditi kemijskim procesima bez mehaničke intervencije. Od samog početka, ključni element proizvodnje tranzistora bila je uporaba kemijskih nečistoća. Zatim je došao planarni proces, koji je eliminirao zadnji mehanički korak iz proizvodnje—pričvršćivanje žica. Kao rezultat toga, riješio se posljednjeg fizičkog ograničenja minijaturizacije. Tranzistori više nisu morali biti dovoljno veliki za ljudske prste - ili bilo koji mehanički uređaj. Sve je učinjeno jednostavnom kemijom, u nezamislivo malom opsegu: kiselina za jetkanje, svjetlo za kontrolu koji će dijelovi površine biti otporni na jetkanje i para za uvođenje nečistoća i metalnih filmova u urezane tragove.
Zašto je minijaturizacija uopće potrebna? Smanjenje veličine dalo je čitavu galaksiju ugodnih nuspojava: povećanu brzinu prebacivanja, smanjenu potrošnju energije i cijenu pojedinačnih kopija. Ovi snažni poticaji naveli su sve na potragu za načinima za daljnje smanjenje prekida. A industrija poluvodiča prešla je put od izrade prekidača veličine nokta do pakiranja desetaka milijuna prekidača po kvadratnom milimetru u životu jednog čovjeka. Od traženja osam dolara za jedan prekidač do ponude dvadeset milijuna prekidača za dolar.
Intel 1103 memorijski čip iz 1971. Pojedinačni tranzistori, veličine samo nekoliko desetaka mikrometara, više nisu vidljivi oku. I od tada su se smanjile još tisuću puta.
Što još čitati:
- Ernest Bruan i Stuart MacDonald, Revolucija u minijaturi (1978.)
- Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997.)
- Joel Shurkin, Slomljeni genije (1997.)
Izvor: www.habr.com