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Da oltre cento anni il cane analogico scodinzola digitale. I tentativi di espandere le capacità dei nostri sensi - vista, udito e persino, in un certo senso, tatto - hanno portato ingegneri e scienziati alla ricerca di componenti migliori per telegrafi, telefoni, radio e radar. È stato solo per pura fortuna che questa ricerca ha scoperto la strada per la creazione di nuovi tipi di macchine digitali. E ho deciso di raccontare la storia di questa costante , durante il quale gli ingegneri delle telecomunicazioni fornirono le materie prime per i primi computer digitali, e talvolta addirittura li progettarono e costruirono essi stessi.
Ma negli anni ’1960 questa fruttuosa collaborazione giunse al termine, e con essa la mia storia. I produttori di apparecchiature digitali non dovevano più rivolgersi al mondo del telegrafo, del telefono e della radio per ottenere interruttori nuovi e migliorati, poiché il transistor stesso forniva una fonte inesauribile di miglioramenti. Anno dopo anno hanno scavato sempre più a fondo, trovando sempre modi per aumentare esponenzialmente la velocità e ridurre i costi.
Tuttavia, nulla di tutto ciò sarebbe accaduto se l’invenzione del transistor si fosse fermata a .
Avvio lento
Ci fu poco entusiasmo nella stampa popolare per l'annuncio da parte dei Bell Labs dell'invenzione del transistor. Il 1 luglio 1948, il New York Times dedicò tre paragrafi all'evento in fondo al suo rapporto su Radio News. Inoltre, questa notizia è apparsa dopo altre, ovviamente considerate più importanti: ad esempio, il programma radiofonico di un'ora “Waltz Time”, che avrebbe dovuto apparire sulla NBC. Col senno di poi, forse verrà voglia di ridere, o addirittura di rimproverare gli autori sconosciuti: come hanno fatto a non riconoscere l'evento che ha sconvolto il mondo?
Ma il senno di poi distorce la percezione, amplificando segnali il cui significato sappiamo essere andato perso in un mare di rumore all’epoca. Il transistor del 1948 era molto diverso dai transistor dei computer sui quali stai leggendo questo articolo (a meno che tu non abbia deciso di stamparlo). Differivano così tanto che, nonostante lo stesso nome e la linea ininterrotta di eredità che li collega, dovrebbero essere considerati specie diverse, se non generi diversi. Hanno composizioni diverse, strutture diverse, principi di funzionamento diversi, per non parlare dell'enorme differenza di dimensioni. È stato solo attraverso una costante reinvenzione che il goffo dispositivo costruito da Bardeen e Brattain ha potuto trasformare il mondo e le nostre vite.
In effetti, il transistor al germanio a punto singolo non meritava più attenzione di quella ricevuta. Aveva diversi difetti ereditati dal tubo a vuoto. Ovviamente era molto più piccola delle lampade più compatte. L'assenza di un filamento caldo significava che produceva meno calore, consumava meno energia, non si bruciava e non richiedeva riscaldamento prima dell'uso.
Tuttavia, l'accumulo di sporco sulla superficie di contatto ha portato a guasti e ha annullato il potenziale di una maggiore durata; dava un segnale più forte; funzionava solo a basse potenze e in una gamma di frequenze ristretta; fallito in presenza di caldo, freddo o umidità; e non potrebbe essere prodotto in modo uniforme. Diversi transistor creati nello stesso modo dalle stesse persone avrebbero caratteristiche elettriche molto diverse. E tutto questo costava otto volte quello di una lampada a stelo.
Fu solo nel 1952 che i Bell Labs (e altri detentori di brevetti) riuscirono a risolvere i problemi di produzione abbastanza da far sì che i transistor a punto singolo diventassero dispositivi pratici, e anche allora non si diffusero molto oltre il mercato degli apparecchi acustici, dove la sensibilità al prezzo era relativamente bassa. e i vantaggi in termini di durata della batteria superano gli svantaggi.
Tuttavia, allora erano già iniziati i primi tentativi per trasformare il transistor in qualcosa di migliore e più utile. In realtà iniziarono molto prima rispetto al momento in cui il pubblico venne a conoscenza della sua esistenza.
Le ambizioni di Shockley
Verso la fine del 1947, Bill Shockley fece un viaggio a Chicago con grande entusiasmo. Aveva idee vaghe su come battere il transistor recentemente inventato da Bardeen e Brattain, ma non aveva ancora avuto la possibilità di svilupparle. Così, invece di godersi una pausa tra una fase e l'altra di lavoro, ha trascorso Natale e Capodanno in albergo, riempiendo con le sue idee circa 20 pagine di un taccuino. Tra questi c'era una proposta per un nuovo transistor costituito da un sandwich di semiconduttori, una fetta di germanio di tipo p tra due pezzi di tipo n.
Incoraggiato da questo asso nella manica, Shockley rivendicò Bardeen e Brattain per il loro ritorno a Murray Hill, rivendicando tutto il merito per aver inventato il transistor. Non è stata la sua idea dell'effetto campo a portare Bardeen e Brattain nel laboratorio? Ciò non dovrebbe rendere necessario trasferirgli tutti i diritti sul brevetto? Tuttavia, il trucco di Shockley fallì: gli avvocati specializzati in brevetti dei Bell Labs scoprirono che l'inventore sconosciuto, , brevettò un amplificatore ad effetto di campo a semiconduttore quasi 20 anni prima, nel 1930. Lilienfeld, ovviamente, non realizzò mai la sua idea, dato lo stato dei materiali in quel momento, ma il rischio di sovrapposizione era troppo grande - era meglio evitare completamente di menzionare l'effetto di campo nel brevetto
Quindi, sebbene i Bell Labs abbiano concesso a Shockley una generosa quota del merito dell'inventore, nel brevetto hanno nominato solo Bardeen e Brattain. Tuttavia, ciò che è stato fatto non può essere annullato: le ambizioni di Shockley hanno distrutto la sua relazione con due subordinati. Bardeen 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 ha mai fatto alcun progresso nei laboratori, quindi se n'è andato anche lui. Nel 1956, tornò a casa a Palo Alto per avviare la propria azienda di transistor, Shockley Semiconductor. Prima di partire, si separò dalla moglie Jean mentre lei si stava riprendendo da un cancro all'utero, e si legò con Emmy Lanning, che presto sposò. Ma delle due metà del suo sogno californiano – una nuova azienda e una nuova moglie – solo una si è avverata. Nel 1957, i suoi migliori ingegneri, irritati dal suo stile di gestione e dalla direzione in cui stava portando l'azienda, lo lasciarono per fondare una nuova società, la Fairchild Semiconductor.
Shockley nel 1956
Così Shockley abbandonò il guscio vuoto della sua azienda e accettò un lavoro nel dipartimento di ingegneria elettrica di Stanford. Lì continuò ad alienare i suoi colleghi (e il suo più vecchio amico, il fisico ) teorie sulla degenerazione razziale che lo interessavano e – temi impopolari negli Stati Uniti dalla fine dell’ultima guerra, soprattutto negli ambienti accademici. Si divertiva a suscitare polemiche, a fomentare i media e a provocare proteste. Morì nel 1989, allontanato dai suoi figli e dai colleghi, e visitato solo dalla sua sempre devota seconda moglie, Emmy.
Sebbene i suoi deboli tentativi imprenditoriali fallissero, Shockley aveva piantato un seme in un terreno fruttuoso. L'area della Baia di San Francisco produceva molte piccole aziende di elettronica, che furono inondate di finanziamenti dal governo federale durante la guerra. Fairchild Semiconductor, figlia accidentale di Shockley, ha dato vita a dozzine di nuove società, un paio delle quali sono conosciute ancora oggi: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). All'inizio degli anni '1970, l'area si era guadagnata il soprannome derisorio di "Silicon Valley". Ma aspetta un attimo: Bardeen e Brattain hanno creato il transistor al germanio. Da dove viene il silicio?
Questo è l'aspetto del sito abbandonato di Mountain View che in precedenza ospitava Shockley Semiconductor nel 2009. Oggi l'edificio è stato demolito.
Verso il bivio del silicio
Il destino del nuovo tipo di transistor, inventato da Shockley in un hotel di Chicago, fu molto più felice di quello del suo inventore. Tutto grazie al desiderio di un uomo di coltivare singoli cristalli semiconduttori puri. Gordon Teal, un chimico fisico del Texas che aveva studiato l'allora inutile germanio per il suo dottorato, iniziò a lavorare presso i Bell Labs negli anni '30. Avendo conosciuto il transistor, si convinse che la sua affidabilità e potenza potevano essere notevolmente migliorate creandolo da un monocristallo puro, anziché dalle miscele policristalline allora utilizzate. Shockley ha rifiutato i suoi sforzi come uno spreco di risorse.
Tuttavia, Teal persistette e raggiunse il successo, con l'aiuto dell'ingegnere meccanico John Little, creando un dispositivo che estrae un minuscolo seme di cristallo dal germanio fuso. Man mano che il germanio si raffreddava attorno al nucleo, espandeva la sua struttura cristallina, creando un reticolo semiconduttore continuo e quasi puro. Nella primavera del 1949, Teal e Little furono in grado di creare cristalli su ordinazione e i test dimostrarono che erano molto indietro rispetto ai loro concorrenti policristallini. In particolare, i trasportatori minori aggiunti ad essi potrebbero sopravvivere all'interno per un centinaio di microsecondi o anche più a lungo (contro non più di dieci microsecondi in altri campioni di cristallo).
Ora Teal poteva permettersi più risorse e reclutò più persone nella sua squadra, tra cui un altro chimico fisico arrivato ai Bell Labs dal Texas: Morgan Sparks. Hanno iniziato ad alterare la fusione per produrre germanio di tipo p o di tipo n aggiungendo gocce di impurità appropriate. Nel giro di un anno, hanno migliorato la tecnologia a tal punto da poter coltivare un sandwich npn di germanio direttamente nella fusione. E ha funzionato esattamente come previsto da Shockley: un segnale elettrico proveniente dal materiale di tipo p modulava la corrente elettrica tra due conduttori collegati ai pezzi di tipo n che lo circondavano.
Morgan Sparks e Gordon Teal al banco di lavoro dei Bell Labs
Questo transistor a giunzione sviluppato supera il suo antenato a punto di contatto singolo in quasi ogni aspetto. In particolare, era più affidabile e prevedibile, produceva molto meno rumore (e quindi era più sensibile) ed era estremamente efficiente dal punto di vista energetico, consumando un milione di volte meno energia di un tipico tubo a vuoto. Nel luglio 1951, i Bell Labs tennero un'altra conferenza stampa per annunciare la nuova invenzione. Ancor prima che il primo transistor riuscisse a raggiungere il mercato, era già diventato sostanzialmente irrilevante.
Eppure questo era solo l'inizio. Nel 1952, la General Electric (GE) annunciò lo sviluppo di un nuovo processo per realizzare transistor a giunzione, il metodo di fusione. Nella sua struttura, due sfere di indio (donatore di tipo p) erano fuse su entrambi i lati di una sottile fetta di germanio di tipo n. Questo processo era più semplice ed economico rispetto alla crescita delle giunzioni in una lega; un transistor di questo tipo forniva meno resistenza e supportava frequenze più alte.
Transistor cresciuti e fusi
L'anno successivo, Gordon Teal decise di tornare nel suo stato d'origine e accettò un lavoro presso Texas Instruments (TI) a Dallas. L'azienda fu fondata come Geophysical Services, Inc., e inizialmente produceva attrezzature per l'esplorazione petrolifera, TI aveva aperto una divisione elettronica durante la guerra e ora stava entrando nel mercato dei transistor su licenza di Western Electric (la divisione di produzione di Bell Labs).
Teal ha portato con sé nuove competenze apprese nei laboratori: la capacità di crescere e monocristalli di silicio. La debolezza più evidente del germanio era la sua sensibilità alla temperatura. Quando esposti al calore, gli atomi di germanio nel cristallo perdono rapidamente elettroni liberi e si trasformano sempre più in un conduttore. Alla temperatura di 77 °C ha smesso del tutto di funzionare come un transistor. L'obiettivo principale delle vendite di transistor erano i militari: un potenziale consumatore con una bassa sensibilità ai prezzi e un enorme bisogno di componenti elettronici stabili, affidabili e compatti. Tuttavia, il germanio sensibile alla temperatura non sarebbe utile in molte applicazioni militari, soprattutto nel campo aerospaziale.
Il silicio era molto più stabile, ma aveva un punto di fusione molto più alto, paragonabile a quello dell'acciaio. Ciò causò enormi difficoltà, dato che per creare transistor di alta qualità erano necessari cristalli molto puri. Il silicio fuso caldo assorbirebbe i contaminanti da qualunque crogiolo si trovasse. Teel e il suo team presso TI sono riusciti a superare queste sfide utilizzando campioni di silicio ultrapuro di DuPont. Nel maggio 1954, ad una conferenza dell'Institute of Radio Engineering a Dayton, Ohio, Teal dimostrò che i nuovi dispositivi al silicio prodotti nel suo laboratorio continuavano a funzionare anche se immersi nell'olio caldo.
Startup di successo
Alla fine, circa sette anni dopo la sua invenzione, il transistor poté essere realizzato con il materiale di cui era diventato sinonimo. E passerà circa lo stesso tempo prima che compaiano transistor che assomigliano più o meno alla forma utilizzata nei nostri microprocessori e chip di memoria.
Nel 1955, gli scienziati dei Bell Labs impararono con successo a realizzare transistor al silicio con una nuova tecnologia di drogaggio: invece di aggiungere sfere solide di impurità a un liquido fuso, introdussero additivi gassosi nella superficie solida del semiconduttore (). Controllando attentamente la temperatura, la pressione e la durata della procedura, hanno raggiunto esattamente la profondità e il grado di drogaggio richiesti. Un maggiore controllo sul processo di produzione ha dato un maggiore controllo sulle proprietà elettriche del prodotto finale. Ancora più importante, la diffusione termica ha reso possibile produrre il prodotto in lotti: si poteva drogare una grande lastra di silicio e poi tagliarla in transistor. L'esercito ha fornito finanziamenti ai Bell Laboratories perché l'avvio della produzione richiedeva elevati costi iniziali. Avevano bisogno di un nuovo prodotto per un collegamento radar di allarme rapido a frequenza ultraelevata (“"), una catena di stazioni radar artiche progettate per rilevare i bombardieri sovietici in volo dal Polo Nord, ed erano disposti a sborsare 100 dollari per transistor (erano i tempi in cui una nuova auto poteva essere acquistata per 2000 dollari).
Legarsi con , che controllava la posizione delle impurità, ha aperto la possibilità di incidere l'intero circuito interamente su un substrato semiconduttore - questo è stato pensato contemporaneamente da Fairchild Semiconductor e Texas Instruments nel 1959. "" di Fairchild ha utilizzato la deposizione chimica di pellicole metalliche che collegano i contatti elettrici del transistor. Ha eliminato la necessità di creare cablaggi manuali, ha ridotto i costi di produzione e ha aumentato l'affidabilità.
Infine, nel 1960, due ingegneri dei Bell Labs (John Atalla e Davon Kahn) implementarono il concetto originale di Shockley per un transistor ad effetto di campo. Un sottile strato di ossido sulla superficie del semiconduttore è stato in grado di sopprimere efficacemente gli stati superficiali, facendo penetrare il campo elettrico proveniente dal gate di alluminio nel silicio. Nacque così il MOSFET [transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo] (o struttura MOS, da semiconduttore a ossido di metallo), che si rivelò così facile da miniaturizzare, e che è ancora utilizzato in quasi tutti i computer moderni (interessante , Atalla veniva dall'Egitto e Kang dalla Corea del Sud, e praticamente solo questi due ingegneri di tutta la nostra storia non hanno radici europee).
Alla fine, tredici anni dopo l'invenzione del primo transistor, apparve qualcosa di simile al transistor del tuo computer. Era più facile da produrre e consumava meno energia rispetto al transistor a giunzione, ma era piuttosto lento nel rispondere ai segnali. Fu solo con la proliferazione di circuiti integrati su larga scala, con centinaia o migliaia di componenti posizionati su un singolo chip, che i vantaggi dei transistor ad effetto di campo emersero.
Illustrazione dal brevetto del transistor ad effetto di campo
L'effetto di campo è stato l'ultimo grande contributo dei Bell Labs allo sviluppo del transistor. I principali produttori di elettronica come Bell Laboratories (con la loro Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse hanno accumulato una quantità impressionante di ricerca sui semiconduttori. Dal 1952 al 1965, solo i Bell Laboratories hanno registrato più di duecento brevetti su questo argomento. Tuttavia il mercato commerciale cadde rapidamente nelle mani di nuovi attori come Texas Instruments, Transitron e Fairchild.
Il mercato dei primi transistor era troppo piccolo per attirare l’attenzione dei grandi player: circa 18 milioni di dollari l’anno a metà degli anni ’1950, a fronte di un mercato totale dell’elettronica di 2 miliardi di dollari, ma i laboratori di ricerca di questi giganti fungevano involontari campi di addestramento. dove i giovani scienziati potrebbero assorbire la conoscenza dei semiconduttori prima di passare a vendere i propri servizi ad aziende più piccole. Quando il mercato dell'elettronica a valvole iniziò a ridursi seriamente a metà degli anni '1960, era troppo tardi perché Bell Labs, Westinghouse e gli altri potessero competere con i nuovi arrivati.
La transizione dai computer ai transistor
Negli anni ’1950 i transistor invasero il mondo dell’elettronica in quattro aree principali. I primi due riguardavano gli apparecchi acustici e le radio portatili, dove il basso consumo energetico e la conseguente lunga durata della batteria prevalevano su altre considerazioni. Il terzo era l'uso militare. L'esercito americano nutriva grandi speranze nei transistor come componenti affidabili e compatti che potevano essere utilizzati in qualsiasi cosa, dalle radio da campo ai missili balistici. Tuttavia, all’inizio, la spesa per i transistor sembrava più una scommessa sul futuro della tecnologia che una conferma del loro valore allora. E infine c’era anche l’informatica digitale.
Nel campo dei computer, i difetti degli interruttori a valvole erano ben noti, tanto che alcuni scettici prima della guerra credevano addirittura che un computer elettronico non potesse diventare un dispositivo pratico. Quando migliaia di lampade venivano raccolte in un unico dispositivo, consumavano elettricità, producendo enormi quantità di calore e, in termini di affidabilità, si poteva fare affidamento solo sul loro regolare esaurimento. Pertanto, il transistor a basso consumo, freddo e senza filettatura è diventato il salvatore dei produttori di computer. I suoi svantaggi come amplificatore (uscita più rumorosa, ad esempio) non erano un grosso problema quando veniva utilizzato come interruttore. L'unico ostacolo era il costo, che col tempo avrebbe cominciato a diminuire drasticamente.
Tutti i primi esperimenti americani con i computer transistorizzati avvennero all'intersezione tra il desiderio dei militari di esplorare il potenziale di una nuova tecnologia promettente e il desiderio degli ingegneri di passare a interruttori migliorati.
I Bell Labs costruirono TRADIC per l'aeronautica americana nel 1954 per vedere se i transistor avrebbero consentito di installare un computer digitale a bordo di un bombardiere, sostituendo la navigazione analogica e assistendo nella ricerca di obiettivi. Il laboratorio del MIT Lincoln sviluppò il computer TX-0 come parte di un vasto progetto di difesa aerea nel 1956. La macchina utilizzava un'altra variante del transistor a barriera superficiale, adatta per il calcolo ad alta velocità. Philco costruì il suo computer SOLO sotto un contratto con la Marina (ma in realtà su richiesta della NSA), terminandolo nel 1958 (utilizzando un'altra variante del transistor a barriera superficiale).
Nell’Europa occidentale, meno dotata di risorse durante la Guerra Fredda, la storia era molto diversa. Macchine come il Manchester Transistor Computer, (altro nome ispirato al progetto ENIAC, e scritto al contrario), e austriaco erano progetti paralleli che utilizzavano le risorse che i loro creatori potevano mettere insieme, compresi i transistor single-point di prima generazione.
C'è molta controversia sul titolo del primo computer a utilizzare i transistor. Tutto si riduce, ovviamente, alla scelta delle giuste definizioni per parole come “primo”, “transistor” e “computer”. In ogni caso sappiamo dove finisce la storia. La commercializzazione dei computer transistorizzati iniziò quasi immediatamente. Anno dopo anno, i computer dello stesso prezzo diventavano sempre più potenti, e i computer della stessa potenza diventavano più economici, e questo processo sembrava così inesorabile da essere elevato al rango di legge, accanto alla gravità e alla conservazione dell’energia. Dobbiamo discutere su quale sasso sia crollato per primo?
Da dove viene la legge di Moore?
Mentre ci avviciniamo alla fine della storia del passaggio, vale la pena chiedersi: cosa ha causato questo collasso? Perché esiste (o è esistita – ne parleremo un'altra volta) la legge di Moore? Non esiste la legge di Moore per gli aeroplani o gli aspirapolvere, così come non esiste per i tubi a vuoto o i relè.
La risposta ha due parti:
- Proprietà logiche di un interruttore come categoria di artefatti.
- La capacità di utilizzare processi puramente chimici per realizzare transistor.
Innanzitutto, sull'essenza del passaggio. Le proprietà della maggior parte degli artefatti devono soddisfare un'ampia gamma di vincoli fisici implacabili. Un aereo passeggeri deve sostenere il peso combinato di molte persone. Un aspirapolvere deve essere in grado di aspirare una certa quantità di sporco in un certo tempo da una certa area fisica. Aeroplani e aspirapolvere sarebbero inutili se ridotti su scala nanometrica.
Un interruttore, un interruttore automatico che non è mai stato toccato da una mano umana, presenta molte meno limitazioni fisiche. Deve avere due stati diversi e deve essere in grado di comunicare con altri interruttori simili quando il loro stato cambia. Cioè, tutto ciò che dovrebbe essere in grado di fare è accendersi e spegnersi. Cosa c'è di così speciale nei transistor? Perché altri tipi di interruttori digitali non hanno sperimentato miglioramenti così esponenziali?
Qui arriviamo al secondo fatto. I transistor possono essere realizzati utilizzando processi chimici senza intervento meccanico. Fin dall'inizio, un elemento chiave nella produzione dei transistor è stato l'utilizzo di impurità chimiche. Poi è arrivato il processo planare, che ha eliminato l’ultimo passaggio meccanico dalla produzione: il fissaggio dei fili. Di conseguenza, si è sbarazzato dell'ultima limitazione fisica della miniaturizzazione. Non era più necessario che i transistor fossero abbastanza grandi per le dita umane o per qualsiasi dispositivo meccanico. Tutto è stato fatto con la semplice chimica, su scala inimmaginabilmente piccola: acido per incidere, luce per controllare quali parti della superficie avrebbero resistito all'incisione e vapore per introdurre impurità e pellicole metalliche nelle tracce incise.
Perché è necessaria la miniaturizzazione? La riduzione delle dimensioni ha prodotto un'intera galassia di piacevoli effetti collaterali: maggiore velocità di commutazione, riduzione del consumo energetico e del costo delle singole copie. Questi potenti incentivi hanno portato tutti a cercare modi per ridurre ulteriormente i cambiamenti. E l’industria dei semiconduttori è passata dalla produzione di interruttori delle dimensioni di un’unghia all’imballaggio di decine di milioni di interruttori per millimetro quadrato nell’arco della vita di un uomo. Dal chiedere otto dollari per un cambio all’offrire venti milioni di cambi per un dollaro.
Chip di memoria Intel 1103 del 1971. I singoli transistor, grandi solo decine di micrometri, non sono più visibili all'occhio. E da allora sono diminuiti altre mille volte.
Cos'altro leggere:
- Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Rivoluzione in miniatura (1978)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Fuoco di cristallo (1997)
- Joel Shurkin, Il genio spezzato (1997)
Fonte: habr.com