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Da oltre un secolo, un cane analogico ha scodinzolato con la coda digitale. Gli sforzi per migliorare le nostre capacità sensoriali – vista, udito e, in un certo senso, tatto – hanno spinto ingegneri e scienziati a cercare i migliori componenti per telegrafi, telefoni, radio e radar. Solo per pura fortuna, queste ricerche hanno riportato alla luce la via per la creazione di nuovi tipi di macchine digitali. Ho deciso di raccontare la storia di questo costante , durante la quale gli ingegneri delle telecomunicazioni fornivano materiali di base per i primi computer digitali, e talvolta progettavano e costruivano gli stessi computer.
Ma negli anni '60, questa fruttuosa collaborazione giunse al termine, e con essa la mia storia. I produttori di apparecchiature digitali non avevano più bisogno di guardare al mondo del telegrafo, del telefono e della radio per cercare nuovi e migliori interruttori, dal momento che il transistor stesso fornì una fonte inesauribile di miglioramenti. Anno dopo anno, scavavano sempre più a fondo, trovando continuamente 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 .
Inizio lento
La stampa popolare non mostrava entusiasmo attivo riguardo all'annuncio dei Bell Labs sull'invenzione del transistor. Il 1 luglio 1948, The New York Times dedicò a questo evento tre paragrafi alla fine del servizio "Notizie dalla radio". Inoltre, questa notizia apparve dopo altre, apparentemente considerate più importanti: ad esempio, uno show 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 hanno fatto a non riconoscere un evento che ha cambiato il mondo?
Ma uno sguardo al passato distorce la percezione, amplificando quei segnali di importanza che già conosciamo, anche se all'epoca si perdevano in un mare di rumore. Il transistor del 1948 differiva notevolmente dai transistor dei computer, su uno dei quali stai leggendo questo articolo (a meno che tu non abbia deciso di stamparlo). Era così diverso che, nonostante avesse lo stesso nome e una linea di ascendenza continua che li collegava, dovrebbe essere considerato una specie diversa, se non un genere diverso. Avevano composizioni diverse, strutture diverse, principi di funzionamento diversi, per non parlare del gigantesco divario nelle dimensioni. Solo grazie a costanti reinvenzioni, il goffo dispositivo costruito da Bardeen e Brattain è riuscito a trasformare il mondo e la nostra vita.
In realtà, il transistor al germanio con un punto di contatto non meritava più attenzione di quella ricevuta. Presentava diversi difetti ereditati dalle lampade elettroniche. Certamente, era molto più piccolo delle lampade più compatte. L'assenza del filamento incandescenti significava che produceva meno calore, consumava meno energia, non si bruciava e non richiedeva di essere riscaldato prima dell'uso.
Tuttavia, l'accumulo di sporcizia sulla superficie di contatto portava a guasti e annullava il potenziale per una durata maggiore; generava segnali più rumorosi; funzionava solo a basse potenze e in una gamma ristretta di frequenze; falliva in presenza di calore, freddo o umidità; e non poteva essere prodotto in modo uniforme. Diversi transistor realizzati con lo stesso metodo da persone diverse avrebbero presentato caratteristiche elettriche sorprendentemente diverse. E tutto ciò aveva un costo otto volte superiore a quello di una lampada standard.
Fino al 1952, i Bell Labs (e altri titolari del brevetto) risolsero i problemi di produzione in modo tale che i transistor a punto singolo divenissero dispositivi pratici, e anche allora non si diffusero particolarmente oltre il mercato degli apparecchi acustici, dove la sensibilità ai costi era relativamente bassa e i vantaggi legati alla durata della batteria superavano gli svantaggi.
Tuttavia, già si stavano avviando i primi sforzi per trasformare il transistor in qualcosa di migliore e più utile. In realtà, iniziavano molto prima che il pubblico ne venisse a conoscenza.
Le ambizioni di Shockley
Entro la fine del 1947, Bill Shockley intraprese con grande entusiasmo un viaggio a Chicago. Aveva idee vaghe su come superare il transistor recentemente inventato da Bardeen e Brattain, ma non aveva ancora avuto l'opportunità di svilupparle. Così, invece di godersi una pausa tra le fasi del suo lavoro, trascorse il Natale e il Capodanno in un hotel, riempiendo circa 20 pagine del suo taccuino con le sue idee. Tra queste c'era la proposta di un nuovo transistor composto da un sandwich di semiconduttore: un pezzo di germanio di tipo p racchiuso tra due pezzi di tipo n.
Incoraggiato dalla presenza di tale asso nella manica, Shockley fece delle rivendicazioni a Bardeen e Brattain al loro ritorno a Murray Hill, chiedendo tutta la gloria per l'invenzione del transistor. Non è forse stata la sua idea sull'effetto di campo a costringere Bardeen e Brattain a rifugiarsi in laboratorio? Non sarebbe perciò necessario trasferire tutti i diritti del brevetto a lui? Tuttavia, il piano di Shockley si ritorse contro di lui: i legali dei brevetti dei Bell Labs scoprirono che un inventore sconosciuto, , aveva brevettato un amplificatore semiconduttore a effetto di campo quasi 20 anni prima, nel 1930. Lilienfeld, naturalmente, non realizzò mai la sua idea, considerando lo stato dei materiali dell'epoca, ma il rischio di sovrapposizione era troppo alto: era meglio evitare completamente il riferimento all'effetto di campo nel brevetto.
Quindi, sebbene i Bell Labs abbiano conferito a Shockley una generosa quota di gloria come inventore, nel brevetto menzionarono solo Bardeen e Brattain. Tuttavia, quello che è fatto è fatto: le ambizioni di Shockley distrussero i suoi rapporti con i due subordinati. Bardeen smise di lavorare al transistor e si concentrò sulla superconduttività. Lasciò i laboratori nel 1951. Brattain rimase lì, ma rifiutò di lavorare nuovamente con Shockley e insistette per essere trasferito in un altro gruppo.
A causa della sua incapacità di lavorare con gli altri, Shockley non progredì mai nei laboratori, quindi lasciò anche lui. Nel 1956 tornò a casa a Palo Alto per fondare la sua azienda di transistor, Shockley Semiconductor. Prima di andarsene, si separò da sua moglie Jean, mentre lei si riprendeva da un cancro all'utero, e iniziò una relazione con Emmy Laning, con cui si sposò poco dopo. Ma delle due metà del suo sogno californiano – la nuova azienda e la nuova moglie – solo una si avverò. Nel 1957, i suoi migliori ingegneri, infuriati dal suo stile di gestione e dalla direzione in cui guidava l'azienda, lo lasciarono per fondare una nuova azienda, Fairchild Semiconductor.
Shockley nel 1956
Così Shockley abbandonò il guscio vuoto della sua azienda e si trasferì al dipartimento di ingegneria elettrica di Stanford. Lì continuò a allontanare i suoi colleghi (e il suo vecchio amico, il fisico ) con teorie che coinvolgevano la degenerazione razziale e , temi impopolari negli Stati Uniti da quando era finita l'ultima guerra, specialmente nei circoli accademici. Trovava piacere nel sollevare controversie, accendere i media e provocare proteste. Morì nel 1989, allontanandosi dai figli e dai colleghi, visitato solo dalla devota seconda moglie, Emmy.
Sebbene i suoi miseri tentativi nel campo dell'imprenditoria fallissero, Shockley seminò il seme in un terreno fertile. La zona della Baia di San Francisco generò molte piccole aziende produttrici di elettronica, sostenute da finanziamenti federali durante la guerra. Fairchild Semiconductor, un prodotto casuale di Shockley, generò decine di nuove aziende, alcune delle quali sono famose ancora oggi: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). All'inizio degli anni '70, quest'area guadagnò l'ironico soprannome di "Silicon Valley". Ma aspetta un attimo – Bardeen e Brattain hanno creato il transistor in germanio. Da dove proviene il silicio?
Così appariva nel 2009 il luogo abbandonato a Mountain View, dove una volta si trovava 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, un chimico fisico del Texas, che nel periodo in cui studiava il germanio, allora considerato inutile, per il suo dottorato, entrò a far parte dei Bell Labs negli anni '30. Scoprendo il transistor, si rese conto che la sua affidabilità e potenza potevano essere notevolmente migliorate creando il dispositivo da un monocristallo puro, piuttosto che da miscele policristalline utilizzate all'epoca. Shockley rifiutò i suoi tentativi, considerandoli una perdita di risorse.
Eppure, Till insistette e, con l'aiuto dell'ingegnere meccanico John Little, creò un dispositivo in grado di estrarre un minuscolo seme di cristallo dal germanio fuso. Raffreddandosi attorno al seme, il germanio espandeva la sua struttura cristallina, creando una rete semiconduttrice continua e quasi pura. Entro la primavera del 1949, Till e Little erano in grado di creare cristalli su richiesta, e i test dimostravano che superavano di gran lunga i loro concorrenti policristallini. In particolare, i portatori non fondamentali aggiunti potevano sopravvivere all'interno per cento microsecondi o anche di più (rispetto a non più di dieci microsecondi in altri campioni di cristalli).
Ora Till poteva permettersi più risorse e ampliò la sua squadra, includendo un altro chimico fisico, Morgan Sparks, che proveniva dai laboratori Bell dal Texas. Iniziarono a modificare la fusione per produrre germanio di tipo p o n, aggiungendo sfere di impurità appropriate. In un anno, perfezionarono la tecnologia a tal punto da poter coltivare un sandwich n-p-n di germanio direttamente nella fusione. E funzionava esattamente come previsto da Shockley: il segnale elettrico del materiale di tipo p modulava la corrente elettrica tra due conduttori, collegati ai pezzi circostanti di tipo n.
Morgan Sparks e Gordon Till al banco da lavoro nei laboratori Bell
Questo transistor a giunzione crescitrice superò il suo predecessore a contatto puntiforme sotto quasi ogni aspetto. In particolare, divenne più affidabile e prevedibile, produceva significativamente meno rumore (e quindi era più sensibile), e straordinariamente efficiente in termini energetici – consumando un milione di volte meno energia rispetto a una tipica lampada elettronica. Nel luglio del 1951, i laboratori Bell organizzarono un'altra conferenza stampa per annunciare la nuova invenzione. Anche prima che il primo transistor potesse raggiungere il mercato, era già in sostanza diventato 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, tramite un metodo di lega. In questo processo, due sfere di indio (donatore di tipo p) venivano fuse sui lati di una sottile fetta di germanio di tipo n. Questo processo era più semplice ed economico rispetto alla crescita delle giunzioni, e il transistor così ottenuto presentava una resistenza minore e supportava frequenze più alte.
Transistor cresciuti e a lega
Nell'anno successivo, Gordon Till decise di tornare nel suo stato natale e si unì a Texas Instruments (TI) a Dallas. L'azienda era stata fondata con il nome di Geophysical Services, Inc. e inizialmente produceva attrezzature per l'esplorazione di giacimenti petroliferi. TI aprì un'unità elettronica durante la guerra e ora si affacciava sul mercato dei transistor con licenza da Western Electric (il braccio produttivo dei laboratori Bell).
Till 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. Sotto l'influenza del calore, gli atomi di germanio nel cristallo perdevano rapidamente elettroni liberi, diventando sempre più un conduttore. A una temperatura di 77 °C, smetteva di funzionare come transistor. Il mercato principale 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, specialmente nel settore aerospaziale.
Il silicio era molto più stabile, ma a costi di una temperatura di fusione molto più alta, comparabile a quella dell'acciaio. Questo creava enormi difficoltà, dato che per produrre transistor di alta qualità erano necessari cristalli estremamente puri. Il silicio fuso e caldo assorbirebbe contaminanti da qualsiasi crogiolo in cui si trovasse. Till e il suo team di TI riuscirono a superare queste difficoltà grazie a campioni di silicio ultra-puro forniti da DuPont. Nel maggio del 1954, alla conferenza dell'Institute of Radio Engineers a Dayton (Ohio), Till dimostrò che i nuovi dispositivi in silicio prodotti nel suo laboratorio continuavano a funzionare anche se immersi in olio caldo.
Successi fulminanti
Finalmente, circa sette anni dopo l'invenzione del transistor, è stato possibile produrlo con il materiale che è diventato il suo sinonimo. Ed è passato circa lo stesso tempo prima che vedessimo transistor che ricordassero grossolanamente la forma utilizzata nei nostri microprocessori e chip di memoria.
Nel 1955, i ricercatori dei Bell Labs sono riusciti a produrre transistor in silicio grazie a una nuova tecnologia di drogaggio: invece di aggiungere sfere solide di impurità in un liquido fuso, introducevano additivi gassosi nella superficie solida del semiconduttore (). Controllando attentamente temperatura, pressione e durata del processo, riuscivano a raggiungere la profondità e il grado di drogaggio desiderati. Un miglior controllo del processo di produzione ha portato a un miglior controllo delle proprietà elettriche del prodotto finale. Inoltre, la diffusione termica ha reso possibile 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 avviando la produzione erano necessari costi iniziali elevati. Avevano bisogno di un nuovo prodotto per la linea di rilevamento radar a microonde precoce (), una rete di stazioni radar artiche progettate per rilevare bombardieri sovietici in arrivo dal Polo Nord e erano disposti a pagare $100 per transistor (un'epoca in cui era possibile acquistare una nuova auto per $2000).
Il drogaggio insieme alla , che controllava la posizione delle impurità, ha aperto la possibilità di incidere l'intero contorno su un'unica matrice di semiconduttore – questo è stato scoperto simultaneamente da Fairchild Semiconductor e Texas Instruments nel 1959. La "" di Fairchild utilizzava il deposito chimico di film metallici che collegano i contatti elettrici del transistor. Ciò ha eliminato la necessità di creare collegamenti manualmente, riducendo i costi di produzione e aumentando 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, consentendo così al campo elettrico del gate in alluminio di penetrare nel silicio. Così nacque il MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (o struttura MOF, da metal-oxide-semiconductor), che si rivelò facile da miniaturizzare e che è ancora utilizzato nella praticamente totalità dei computer moderni (è interessante notare che Atalla era originario dell'Egitto e Kahn della Corea del Sud, e praticamente solo questi due ingegneri nella nostra storia non hanno radici europee).
Infine, tredici anni dopo l'invenzione del primo transistor, è emerso qualcosa che somiglia al transistor del tuo computer. Era più facile da produrre, consumava meno energia rispetto al transistor piani, ma reagiva piuttosto lentamente ai segnali. Solo dopo la diffusione dei circuiti integrati su larga scala, con centinaia o migliaia di componenti su un'unica chip, i vantaggi dei transistor a effetto di campo sono diventati evidenti.
Illustrazione dal brevetto del transistor a effetto di campo
L'effetto di campo è stata l'ultima significativa contribuzione dei Bell Labs allo sviluppo del transistor. I grandi produttori di elettronica, come i Bell Labs (con la loro Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse, avevano accumulato un'impressionante quantità di ricerche sui semiconduttori. Tra il 1952 e il 1965, i Bell Labs hanno registrato più di duecento brevetti a riguardo. Tuttavia, il mercato commerciale si è rapidamente spostato verso nuovi attori come Texas Instruments, Transitron e Fairchild.
Il mercato dei transistor inizialmente era troppo piccolo perché i grandi attori si interessassero: circa $18 milioni all'anno a metà degli anni '50, rispetto a un mercato elettronico complessivo di $2 miliardi. Tuttavia, i laboratori di ricerca di questi colossi fungevano da campi di addestramento non intenzionali, dove giovani scienziati potevano assorbire conoscenze sui semiconduttori per poi trasferirsi a vendere le proprie competenze a aziende più piccole. Quando il mercato dell'elettronica a valvole ha iniziato a contrarsi seriamente a metà degli anni '60, era troppo tardi per i Bell Labs, Westinghouse e gli altri per competere con i nuovi arrivati.
Il passaggio dei computer ai transistor
Negli anni '50, i transistor hanno fatto irruzione nel mondo dell'elettronica in quattro aree significative. Le prime due sono stati gli apparecchi acustici e le radio portatili, dove il basso consumo energetico e, di conseguenza, la lunga durata delle batterie superavano altre considerazioni. Il terzo era l'applicazione militare. L'esercito americano riponeva grandi speranze nei transistor come componenti affidabili e compatti, utilizzabili ovunque, dalla radio da campo ai missili balistici. Tuttavia, inizialmente le spese per i transistor sembravano più una scommessa sul futuro della tecnologia che una conferma del loro valore a quel tempo. Infine, c'era anche il calcolo digitale.
Nel campo dei computer, i difetti degli interruttori a valvole elettroniche erano ben noti, e alcuni scettici prima della guerra sostenevano addirittura che non sarebbe stata possibile la realizzazione di un computer elettronico pratico. Quando migliaia di valvole erano collegate in un unico dispositivo, consumavano energia elettrica, producendo una grande quantità di calore, e in termini di affidabilità si poteva contare solo sul loro regolare guasto. Pertanto, il transistor, a basso consumo, freddo e senza filamento, divenne il salvatore per i produttori di computer. I suoi difetti come amplificatore (ad esempio, un segnale di uscita più rumoroso) non rappresentavano un grande problema se usato come interruttore. L'unico ostacolo era il costo, e a un certo punto questo iniziò 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 una nuova tecnologia promettente e il desiderio degli ingegneri di passare a interruttori migliori.
Nei laboratori Bell, nel 1954, fu costruito il TRADIC per l'Air Force degli Stati Uniti, per vedere se i transistor avrebbero permesso l'installazione di un computer digitale a bordo di un bombardiere, sostituendo la navigazione analogica e fornendo assistenza nella ricerca di bersagli. Il Lincoln Laboratory del MIT sviluppò il computer TX-0 nell'ambito di un ampio progetto di difesa aerea nel 1956. La macchina utilizzava un'altra variante di transistor, a barriera superficiale, ben adatta per calcoli ad alta velocità. Philco costruì il suo computer SOLO sotto contratto con la Marina (anche se in realtà – su richiesta della NSA), completandolo nel 1958 (utilizzando un'altra variante di transistor a barriera superficiale).
In Europa occidentale, meno ben dotata 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 crittografato scrivendolo al contrario), e l'austriaco erano progetti secondari che utilizzavano le risorse che i loro creatori riuscivano a racimolare – compresi i transistor di prima generazione con un singolo punto di contatto.
Ci sono molte dispute riguardo al titolo di prima computer che utilizzava transistor. Tutto dipende ovviamente dalla scelta delle definizioni corrette di parole come "primo", "transistor" e "computer". In ogni caso, è noto dove finisce la storia. La commercializzazione dei computer a transistor è iniziata quasi subito. Anno dopo anno, i computer dello stesso costo diventavano sempre più potenti, mentre i computer con la stessa potenza diventavano sempre più economici, e questo processo appariva così inesorabile da elevarlo a legge, accanto alla gravità e alla conservazione dell'energia. Dobbiamo discutere su quale sassolino sia stato il primo a scivolare?
Da dove viene la legge di Moore?
Concludendo la storia dell'interruttore, vale la pena porsi la domanda: cosa ha portato a questo crollo? Perché esiste la legge di Moore (o esisteva – ne discuteremo un altro giorno)? Per aerei o aspirapolvere non esiste la legge di Moore, così come non esiste per le valvole elettroniche o i relè.
La risposta consta di due parti:
- Le proprietà logiche dell'interruttore come categoria di artefatto.
- La possibilità di utilizzare processi chimici puri per la produzione di transistor.
Iniziamo con la natura dell'interruttore. Le proprietà della maggior parte degli artefatti devono soddisfare una vasta gamma di implacabili limitazioni fisiche. Un aereo passeggeri deve sostenere il peso complessivo di molte persone. Un aspirapolvere deve essere in grado di aspirare una certa quantità di sporco in un certo periodo, su una certa superficie fisica. Aerei e aspirapolveri sarebbero inutili se ridotti a dimensioni nanometriche.
Il selettore, un interruttore automatico che non è mai stato toccato dalla mano umana, ha molte meno restrizioni fisiche. Deve avere due stati distinti e deve poter 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 vissuto miglioramenti esponenziali simili?
Qui arriviamo al secondo fatto. I transistor possono essere realizzati attraverso processi chimici senza intervento meccanico. Fin dall'inizio, l'elemento chiave per la produzione di transistor è stato l'uso di impurità chimiche. Successivamente, è emerso il processo planare, eliminando l'ultimo passaggio meccanico nella produzione: il collegamento dei fili. Questo ha rimosso l'ultimo limite fisico alla miniaturizzazione. I transistor non dovevano più essere abbastanza grandi per le dita umane o per qualsiasi dispositivo meccanico. Tutto è stato reso possibile da una semplice chimica, su scala incredibilmente piccola: acido per l'incisione, luce per controllare quali parti della superficie sarebbero state resistenti all'incisione, e vapori per introdurre impurità e pellicole metalliche sui percorsi incisi.
Ma perché è necessaria la miniaturizzazione? La riduzione delle dimensioni ha portato a una serie di effetti collaterali piacevoli: aumento della velocità di commutazione, riduzione del consumo energetico e abbassamento del costo per singolo pezzo. 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 fabbricazione di interruttori delle dimensioni di un'unghia all'imballaggio di decine di milioni di interruttori su un millimetro quadrato. Da una richiesta di otto dollari per singolo interruttore a un'offerta di venti milioni di interruttori per dollaro.
Il chip di memoria Intel 1103 del 1971. Singoli transistor, delle dimensioni di poche decine di micrometri, non sono già più distinguibili a occhio nudo. E da allora si sono ridotti ulteriormente di mille volte.
Ulteriori letture:
- Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Fonte: habr.com
