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Per oltre cento anni, il cane analogico ha scodinzolato al ritmo del digitale. Gli sforzi per espandere le capacità dei nostri sensi - vista, udito e persino, in un certo senso, tatto - hanno portato ingegneri e scienziati alla ricerca dei migliori componenti per il telegrafo, il telefono, la radio e i radar. Solo per una felice coincidenza queste ricerche hanno aperto la strada alla creazione di nuovi tipi di macchine digitali. E ho deciso di raccontare la storia di questa costante , durante la quale gli ingegneri delle telecomunicazioni fornivano materiali di base per i primi computer digitali, e talvolta progettavano e creavano questi computer stessi.
Ma negli anni '60 questa collaborazione fruttuosa giunse al termine, portando con sé anche la mia storia. I produttori di apparecchiature digitali non avevano più bisogno di guardare al mondo del telegrafo, del telefono e della radio per trovare nuovi interruttori migliorati, poiché il transistor stesso forniva una fonte inesauribile di miglioramenti. Anno dopo anno scavavano sempre più a fondo, trovando sempre modi per aumentare esponenzialmente la velocità operativa e ridurre i costi.
Tuttavia, nulla di tutto ciò sarebbe successo se l'invenzione del transistor si fosse fermata al .
Partenza lenta
Non si è visto un grande entusiasmo da parte della stampa popolare riguardo l'annuncio dei Bell Labs sull'invenzione del transistor. Il 1° luglio 1948, il New York Times ha dedicato a questo evento tre paragrafi in fondo al riepilogo "Notizie radio". Inoltre, questa notizia è apparsa dopo altre, evidentemente considerate più importanti: ad esempio, il programma radiofonico "Tempo di valzer", che doveva andare in onda su NBC. Con il senno di poi, potremmo voler ridere, o persino rimproverare gli autori sconosciuti: come potevano non riconoscere un evento che ha cambiato il mondo?
Ma guardare al passato distorce la percezione, enfatizzando quei segnali di cui conosciamo l'importanza, anche se all'epoca si perdevano in un mare di rumore. Il transistor del 1948 era molto diverso dai transistor dei computer, su uno dei quali stai leggendo questo articolo (se non hai deciso di stamparlo). Erano così diversi che, nonostante portassero lo stesso nome e avessero una linea di ereditarietà continua, andrebbero considerati come diverse specie, se non addirittura come generi diversi. Avevano composizioni diverse, strutture diverse, principi di funzionamento diversi, per non parlare della gigantesca differenza nelle dimensioni. Solo grazie a continui riinvenzioni, il goffo dispositivo costruito da Bardeen e Brattain è riuscito a trasformare il mondo e la nostra vita.
In realtà, il transistor al germanio a un punto di contatto non meritava maggiore attenzione di quanto ne avesse ricevuta. Presentava diversi difetti ereditati dalla lampada elettronica. Era, certo, molto più piccolo delle lampade più compatte. L'assenza di un filamento incandescenti significava che produceva meno calore, consumava meno energia, non bruciava e non richiedeva riscaldamento prima dell'uso.
Tuttavia, l'accumulo di sporcizia sulla superficie di contatto portava a guasti e annullava il potenziale per una durata di vita più lunga; produceva un segnale più rumoroso; funzionava solo a basse potenze e in una ristretta gamma di frequenze; falliva in presenza di caldo, freddo o umidità; e non riusciva a essere prodotto in modo uniforme. Diversi transistor, creati allo stesso modo da persone diverse, avrebbero avuto caratteristiche elettriche sorprendentemente diverse. E tutto ciò era accompagnato da un costo otto volte maggiore rispetto alla lampada standard.
Solo nel 1952 i laboratori Bell (e altri detentori del brevetto) risolsero sufficientemente i problemi di produzione perché i transistor a un punto di contatto diventassero dispositivi pratici, e anche allora non si diffusero particolarmente oltre il mercato degli apparecchi acustici, dove la sensibilità ai prezzi era relativamente bassa e i vantaggi in termini di durata della batteria superavano gli svantaggi.
Tuttavia, già allora erano iniziate le prime tentativi di trasformare il transistor in qualcosa di migliore e più utile. In realtà, erano cominciate molto prima del momento in cui il pubblico venne a conoscenza della sua esistenza.
Le ambizioni di Shockley
Entro la fine del 1947, Bill Shockley intraprese un emozionante viaggio a Chicago. Aveva idee vaghe su come superare il transistor recentemente inventato da Bardini e Brattain, ma non aveva ancora avuto la possibilità di svilupparle. Pertanto, invece di godersi una pausa tra le fasi del lavoro, trascorse il Natale e Capodanno in hotel, riempiendo circa 20 pagine del suo taccuino con le sue idee. Tra queste vi era la proposta di un nuovo transistor composto da un sandwich di semiconduttori – un pezzo di germanio di tipo p tra due pezzi di tipo n.
Sostenuto dalla presenza di un tale asso nella manica, Shockley presentò a Bardini e Brattain delle pretese al loro ritorno a Murray Hill, rivendicando tutta la gloria per l'invenzione del transistor. Non è forse stata la sua idea sull'effetto di campo a far sedere Bardini e Brattain in laboratorio? Non è forse per questo motivo che tutti i diritti sul brevetto dovrebbero essere trasferiti a lui? Tuttavia, il trucco di Shockley si rivelò controproducente: gli avvocati brevetti dei Bell Labs scoprirono che un inventore sconosciuto, , aveva brevettato un amplificatore semiconduttore basato sull'effetto di campo quasi 20 anni prima, nel 1930. Lilienfeld, ovviamente, non riuscì mai a realizzare la sua idea, data la condizione dei materiali dell'epoca, ma il rischio di plagio era troppo alto: era meglio evitare del tutto il riferimento all'effetto di campo nel brevetto.
Quindi, anche se i Bell Labs attribuirono a Shockley una generosa parte della gloria dell'inventore, nel brevetto citarono solo Bardini e Brattain. Tuttavia, ciò che è fatto è fatto: le ambizioni di Shockley distrussero le sue relazioni con i due collaboratori. Bardini smise di lavorare sul transistor e si concentrò sulla superconduttività. Lasciò i laboratori nel 1951. Brattain rimase lì, ma si rifiutò di lavorare di nuovo con Shockley e insistette per essere trasferito in un altro gruppo.
A causa della sua incapacità di lavorare con altre persone, Shockley non progredì mai nei laboratori e perciò lasciò anche quello. Nel 1956 tornò a casa a Palo Alto per fondare la propria azienda di produzione di transistor, Shockley Semiconductor. Prima di partire, si separò dalla moglie Jean, mentre lei si stava riprendendo da un cancro all'utero, e iniziò una relazione con Emmy Lenning, con cui si sposò poco dopo. Ma tra le due metà del suo sogno californiano – la nuova azienda e la nuova moglie – si concretizzò solo una. Nel 1957, i suoi migliori ingegneri, infuriati dal suo stile di gestione e dalla direzione in cui portava l'azienda, lo abbandonarono per fondare una nuova società, Fairchild Semiconductor.
Shockley nel 1956
Così Shockley abbandonò il guscio vuoto della sua azienda e si sistemò nel dipartimento di ingegneria elettrica a Stanford. Lì continuò a respingere i suoi colleghi (e il suo vecchio amico, il fisico ) con le sue teorie sul decadimento razziale e – argomenti impopolari negli Stati Uniti sin dalla fine dell'ultima guerra, soprattutto in ambito accademico. Trovava piacere nel suscitare polemiche, nel sollevare i media e nel provocare proteste. Morì nel 1989, allontanandosi dai figli e dai colleghi, e visitato solo dalla sua eterna e devota seconda moglie, Emmy.
Nonostante i suoi miseri tentativi nel campo dell'imprenditoria fallissero, Shockley seminò il seme in un terreno fertile. La zona della Bay Area di San Francisco generò molte piccole aziende elettroniche, supportate da finanziamenti federali durante la guerra. Fairchild Semiconductor, un prodotto casuale di Shockley, generò decine di nuove aziende, alcune delle quali sono ancora famose oggi: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). All'inizio degli anni '70, quest'area guadagnò il beffardo soprannome di "Valle del Silicio". Ma aspetta – Bardin e Brettain hanno creato il transistor al germanio. Da dove è spuntato il silicio?
Così nel 2009 appariva il luogo abbandonato a Mountain View, dove si trovava in precedenza Shockley Semiconductor. Oggi l'edificio è stato demolito.
Al crocevia del silicio
Il destino del nuovo tipo di transistor, ideato da Shockley in un hotel di Chicago, fu molto più fortunato di quello del suo inventore. Tutto grazie alla determinazione di un uomo di coltivare cristalli semiconduttori puri e unici. Gordon Teal, chimico fisico del Texas, che all'epoca studiava il germanio, allora ritenuto inutile, per il suo dottorato, negli anni '30 iniziò a lavorare nel laboratorio Bell. Appena venne a conoscenza del transistor, si convinse che la sua affidabilità e potenza potessero essere significativamente migliorate, creando un monocristallo puro, anziché miscele policristalline utilizzate in quel periodo. Shockley scartò i suoi tentativi, considerandoli una perdita di risorse.
Tuttavia, Teal perseverò e riuscì a ottenere successo, creando, con l'aiuto del meccatronico John Little, un dispositivo che estraeva un microscopico germoglio di cristallo dal germanio fuso. Raffreddandosi attorno al germoglio, il germanio ampliava la sua struttura cristallina, creando una rete semiconduttrice continua e quasi pura. Entro la primavera del 1949, Teal e Little erano in grado di creare cristalli su richiesta, e i test dimostrarono che superavano di gran lunga i loro concorrenti policristallini. In particolare, i portatori non fondamentali aggiunti potevano resistere all'interno per centinaia di microsecondi o anche più a lungo (rispetto ai dieci microsecondi al massimo in altri campioni di cristalli).
Ora Teal poteva permettersi più risorse e aveva aumentato il suo team, tra cui un altro chimico fisico proveniente dal laboratorio Bell in Texas: Morgan Sparks. Iniziarono a cambiare il composto per fabbricare germanio di tipo p o n, aggiungendo pallini di impurità corrispondenti. In un anno perfezionarono la tecnologia a tal punto che riuscivano a coltivare un sandwich di germanio n-p-n direttamente nel fuso. E funzionava esattamente come predetto da Shockley: il segnale elettrico del materiale di tipo p modulava la corrente elettrica tra due conduttori collegati ai pezzi di tipo n circostanti.
Morgan Sparks e Gordon Teal al banco da lavoro nei laboratori Bell
Questo transistor a giunzione cresciuta ha superato il suo predecessore a contatto puntiforme in quasi tutti gli aspetti. In particolare, è diventato più affidabile e prevedibile, generando molto meno rumore (e quindi era più sensibile), ed è stato estremamente efficiente dal punto di vista energetico, consumando un milione di volte meno energia rispetto a una lampada elettronica tipica. Nel luglio del 1951, i laboratori Bell organizzarono un'altra conferenza stampa per annunciare la nuova invenzione. Già prima di poter entrare nel mercato, il primo transistor era di fatto già considerato irrilevante.
Eppure, questo era solo l'inizio. Nel 1952, la General Electric (GE) annunciò lo sviluppo di un nuovo processo per la creazione di transistor a giunzione, un metodo di lega. In questo processo, due palline di indio (donatore di tipo p) venivano fuse da entrambi i lati di una sottile fetta di germanio di tipo n. Questo processo era più semplice e meno costoso della crescita delle giunzioni in lega, e quel transistor offriva meno resistenza e supportava frequenze più elevate.
Transistor a giunzione cresciuta e a lega
L'anno successivo, Gordon Teal decise di tornare nel suo stato natale e si unì alla Texas Instruments (TI) a Dallas. L'azienda fu fondata con il nome di Geophysical Services, Inc., e inizialmente produceva attrezzature per l'esplorazione di giacimenti petroliferi. TI aprì un'unità di elettronica durante la guerra e ora si stava affacciando sul mercato dei transistor con una licenza da Western Electric (un'unità di produzione dei laboratori Bell).
Teal portò con sé nuove competenze acquisite nei laboratori: la capacità di crescere e monocristalli di silicio. La debolezza più evidente del germanio era la sua sensibilità alla temperatura. Sottoposto a calore, gli atomi di germanio nel cristallo smettevano rapidamente di mantenere elettroni liberi, trasformandosi sempre più in un conduttore. A una temperatura di 77 °C, smetteva di funzionare completamente come transistor. Il principale obiettivo di vendita dei transistor erano le forze armate, un potenziale consumatore con bassa sensibilità al prezzo e un'enorme necessità di componenti elettronici stabili, affidabili e compatti. Tuttavia, il germanio sensibile alla temperatura non sarebbe stato utile in molti casi di applicazione militare, soprattutto nel settore aerospaziale.
Il silicio era molto più stabile, ma si pagava un punto di fusione molto più alto, paragonabile a quello dell'acciaio. Questo comportava enormi difficoltà, considerando che per la creazione di transistor di alta qualità erano necessari cristalli molto puri. Il silicio fuso e caldo assorbirebbe impurità da qualsiasi crogiolo in cui si trovasse. Til con il team di TI riuscì a superare queste difficoltà con l'aiuto di campioni di silicio ultrapuri forniti da DuPont. Nel maggio del 1954, durante la conferenza dell'Institute of Radio Engineers a Dayton (Ohio), Til dimostrò che i nuovi dispositivi in silicio prodotti nel suo laboratorio continuavano a funzionare, anche immersi in olio caldo.
Rivoluzionari di successo
Finalmente, circa sette anni dopo l'invenzione del transistor, era possibile fabbricarlo con il materiale con cui era diventato sinonimo. E ci sarebbero voluti circa altri sette anni prima di vedere transistor che assomigliavano grossolanamente a quelli utilizzati nei nostri microprocessori e chip di memoria.
Nel 1955, i ricercatori dei Bell Labs avevano imparato con successo a realizzare transistor in silicio utilizzando una nuova tecnologia di drogaggio: invece di aggiungere piccole palline di impurità a un liquido fuso, introducevano additivi gassosi nella superficie solida del semiconduttore (). Controllando attentamente temperatura, pressione e durata del processo, riuscivano a ottenere la profondità e il grado di drogaggio necessari. Maggiore controllo sul processo produttivo significava maggiore controllo sulle proprietà elettriche del prodotto finale. Inoltre, la termo-diffusione consentiva di produrre il prodotto in lotti: era possibile drogare un grande wafer di silicio e poi tagliarlo in transistor. I militari finanziarono i Bell Labs, poiché la creazione della produzione richiedeva alti costi preliminari. Avevano bisogno di un nuovo prodotto per la linea a onde ultracorte dei primissimi radar per la rilevazione (“«), catena di stazioni radar artiche, progettate per rilevare bombardieri sovietici in arrivo dal Polo Nord, e stavano pronti a pagare $100 per transistor (erano tempi in cui un'auto nuova costava $2000).
Leghe insieme a , che gestiva la posizione delle impurezze, ha aperto la possibilità di inciderne l'intero contorno su un'unica substrato semiconduttore – a questo punto la Fairchild Semiconductor e la Texas Instruments ci sono arrivate contemporaneamente nel 1959. «» di Fairchild utilizzava il deposito chimico di film metallici per unire i contatti elettrici del transistor. Eliminava la necessità di creare collegamenti a mano, riduceva i costi di produzione e aumentava l'affidabilità.
Infine, nel 1960, due ingegneri dei Bell Labs (John Atalla e Devon Kahn) realizzarono il concetto originale di transistor a effetto di campo di Shockley. Uno strato sottile di ossido sulla superficie del semiconduttore riusciva a sopprimere efficacemente gli stati superficiali, permettendo così al campo elettrico dall'elettrodo in alluminio di penetrare nel silicio. Nacque così il MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (o struttura MOS, da metal-ossido-semiconduttore), che si dimostrò così facile da miniaturizzare, e che è ancora utilizzato quasi in tutti i computer moderni (curiosamente, Atalla proveniva dall'Egitto e Kahn dalla Corea del Sud, e praticamente solo questi due ingegneri nella nostra storia non hanno origini europee).
Dopo tredici anni dall'invenzione del primo transistor, emerse qualcosa che assomigliava a un transistor del tuo computer. Era più facile da produrre, consumava meno energia rispetto al transistor planare, ma reagiva piuttosto lentamente ai segnali. Solo dopo la diffusione di circuiti integrati su larga scala con centinaia o migliaia di componenti disposti su un unico chip, i vantaggi dei transistor a effetto di campo emersero in primo piano.
Illustrazione dal brevetto del transistor a effetto di campo
L'effetto di campo è stato l'ultimo contributo significativo dei laboratori Bell allo sviluppo del transistor. Grandi produttori di elettronica, come i laboratori Bell (con la loro Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse, hanno accumulato un impressionante volume di ricerche sui semiconduttori. Dal 1952 al 1965, solo i laboratori Bell hanno registrato oltre duecento brevetti su questo tema. Eppure, il mercato commerciale è rapidamente passato nelle mani di nuovi concorrenti come Texas Instruments, Transitron e Fairchild.
Il mercato dei transistor era troppo piccolo perché i grandi attori lo notassero: circa 18 milioni di dollari all'anno a metà degli anni '50, rispetto a un volume totale del mercato elettronico di 2 miliardi di dollari. Tuttavia, i laboratori di ricerca di questi giganti fungevano da campi di addestramento involontari, dove giovani scienziati potevano assorbire conoscenze sui semiconduttori per poi passare a offrire i loro servizi a aziende meno grandi. Quando il mercato dell'elettronica a valvole ha cominciato a contrarsi seriamente a metà degli anni '60, era già troppo tardi per i laboratori Bell, Westinghouse e altri per competere con i nuovi arrivati.
Transizione dei computer ai transistor
Negli anni '50, i transistor hanno invaso il mondo dell'elettronica in quattro aree significative. Le prime due erano gli apparecchi acustici e le radio portatili, dove il basso consumo energetico e, di conseguenza, la lunga durata delle batterie superavano le altre considerazioni. La terza era l'uso militare. L'esercito degli Stati Uniti riponeva grandi speranze nei transistor come componenti affidabili e compatti da utilizzare ovunque, dalla radio da campo ai missili balistici. Tuttavia, inizialmente, le loro spese per i transistor sembravano più una scommessa sul futuro della tecnologia piuttosto che una conferma del loro valore all'epoca. E, infine, c'erano anche i calcoli digitali.
Nel campo dell'informatica, i difetti degli interruttori a valvole elettroniche erano ben noti, e alcuni scettici, prima della guerra, ritenevano perfino che non si sarebbe riusciti a realizzare un computer elettronico pratico. Quando migliaia di valvole venivano assemblate in un unico dispositivo, consumavano energia elettrica producendo una notevole quantità di calore, e per quanto riguarda l'affidabilità si poteva contare solo sulla loro regolare usura. Perciò, il transistor, che consumava poco, era freddo e non aveva filamenti, divenne il salvatore dei produttori di computer. I suoi difetti come amplificatore (ad esempio, un segnale di uscita più rumoroso) non rappresentavano un grosso problema quando veniva utilizzato come interruttore. L'unico ostacolo era il costo, e ai suoi tempi avrebbe iniziato a diminuire drasticamente.
Tutti i primi esperimenti americani con computer a transistor si sono svolti all'incrocio tra il desiderio dei militari di esplorare il potenziale di questa promettente nuova tecnologia e il desiderio degli ingegneri di passare a interruttori migliori.
Nei laboratori Bell nel 1954 è stato costruito il TRADIC per l'Aeronautica Militare degli Stati Uniti, per vedere se i transistor avrebbero permesso di installare un computer digitale a bordo di un bombardiere, sostituendo la navigazione analogica e assistendo nella ricerca di obiettivi. Il Lincoln Laboratory del MIT sviluppò il computer TX-0 come parte di un ampio progetto di difesa aerea nel 1956. La macchina utilizzava un'altra variante di transistor, il transistor a barriera superficiale, particolarmente adatto per calcoli ad alta velocità. Philco costruì il suo computer SOLO su contratto con la Marina (in realtà - su richiesta della NSA), completandolo nel 1958 (utilizzando un'altra variante di transistor a barriera superficiale).
In Europa occidentale, non così ben fornita di risorse durante la Guerra Fredda, la storia era completamente diversa. Macchine come il Manchester Transistor Computer, (un altro nome ispirato al progetto ENIAC, e codificato scrivendolo al contrario), e l'austriaco erano progetti collaterali che utilizzavano risorse che i loro creatori potevano raccogliere - compresi i transistor a contatto unico di prima generazione.
Ci sono molte controversie riguardo al titolo del primo computer a utilizzare i transistor. Naturalmente, tutto dipende dalla scelta delle giuste definizioni di parole come "primo", "transistor" e "computer". In ogni caso, è noto dove si conclude la storia. La commercializzazione dei computer a transistor è iniziata quasi subito. Anno dopo anno, i computer della stessa fascia di prezzo diventavano sempre più potenti, mentre i computer con la stessa potenza diventavano sempre più economici, e questo processo sembrava così inarrestabile che è stato elevato al rango di legge, accanto alla gravità e alla conservazione dell'energia. Dobbiamo davvero discutere su quale ciottolo sia stato il primo nella frana?
Da dove viene la legge di Moore?
Avvicinandoci alla fine della storia dell'interruttore, vale la pena porsi la domanda: cosa ha portato a questa frana? Perché la legge di Moore esiste (o esisteva - discuteremo di questo un'altra volta)? Per aerei o aspirapolveri non esiste la legge di Moore, così come non esiste per le valvole elettroniche o i relè.
La risposta si compone di due parti:
- Le proprietà logiche dell'interruttore come categoria di artefatto.
- La possibilità di utilizzare processi chimici puri per la fabbricazione dei transistor.
Iniziamo con l'essenza dell'interruttore. Le proprietà della maggior parte degli artefatti devono soddisfare un ampio spettro di vincoli fisici ineluttabili. Un aereo passeggeri deve sopportare il peso totale di molte persone. Un aspirapolvere deve essere in grado di aspirare una certa quantità di sporco in un certo tempo su una determinata area fisica. Aerei e aspirapolveri sarebbero inutili se ridotti a scale nanometriche.
Per l'interruttore - un interruttore automatico, mai toccato dalla mano dell'uomo - ci sono molti meno vincoli fisici. Deve avere due stati diversi e deve essere in grado di comunicare ad altri interruttori simili la modifica dei loro stati. In altre parole, tutto ciò che deve fare è accendersi e spegnersi. Cosa c'è di così speciale nei transistor? Perché altri tipi di interruttori digitali non hanno sperimentato tali miglioramenti esponenziali?
Qui ci avviciniamo al secondo fatto. I transistor possono essere realizzati tramite processi chimici senza intervento meccanico. Fin dall'inizio, un elemento chiave nella produzione di transistor è stata l'applicazione di impurità chimiche. Successivamente è comparso il processo planare, che ha eliminato l'ultimo passaggio meccanico nella produzione: l'aggiunta dei fili. Di conseguenza, è stato rimosso l'ultimo vincolo fisico alla miniaturizzazione. I transistor non dovevano più essere abbastanza grandi per le dita umane o per qualsiasi dispositivo meccanico. Tutto era fatto da una semplice chimica, su scala incredibilmente piccola: acido per incisione, luce per controllare quali parti della superficie resisteranno all'incisione, e vapori per l'inserimento di impurità e pellicole metalliche sui percorsi incisi.
Ma a cosa serve davvero la miniaturizzazione? La riduzione delle dimensioni offriva una serie di effetti collaterali positivi: aumento della velocità di commutazione, riduzione del consumo energetico e abbattimento dei costi per singolo esemplare. Questi potenti stimoli hanno spinto tutti a cercare modi per ridurre ulteriormente le dimensioni degli interruttori. E l'industria dei semiconduttori, nel corso della vita di una persona, è passata dalla realizzazione di interruttori delle dimensioni di un'unghia alla confezione di decine di milioni di interruttori per millimetro quadrato. Da una richiesta di otto dollari per un singolo interruttore a un'offerta di venti milioni di interruttori per un dollaro.
Chip di memoria Intel 1103 del 1971. I singoli transistor, delle dimensioni di pochi micrometri, sono già indistinguibili a occhio nudo. E da allora si sono ridotti ulteriormente di mille volte.
Cosa leggere ancora:
- Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Rivoluzione in Miniatura (1978)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Genio rotto (1997)
Fonte: habr.com
