Andre artikler i serien:
- Historien til stafetten
- Elektroniske datamaskiners historie
- Transistorens historie
- Internett-historie
I over hundre år har den analoge hunden logret med den digitale halen. Forsøk på å utvide sansene våre – syn, hørsel og til og med på en måte berøring – førte til at ingeniører og forskere søkte etter bedre komponenter for telegrafer, telefoner, radioer og radarer. Det var bare ved ren flaks at dette søket fant veien til etableringen av nye typer digitale maskiner. Og jeg bestemte meg for å fortelle historien om denne konstanten , der telekommunikasjonsingeniører leverte råvarene til de første digitale datamaskinene, og noen ganger til og med designet og bygde disse datamaskinene selv.
Men på 1960-tallet tok dette fruktbare samarbeidet slutt, og med det min historie. Produsenter av digitalt utstyr behøvde ikke lenger se til telegraf-, telefon- og radioverdenen for nye, forbedrede brytere, siden transistoren i seg selv ga en uuttømmelig kilde til forbedringer. År etter år gravde de dypere og dypere, og fant alltid måter å øke hastigheten eksponentielt og redusere kostnadene.
Ingenting av dette ville imidlertid ha skjedd hvis oppfinnelsen av transistoren hadde stoppet kl .
Sakte start
Det var liten entusiasme i den populære pressen for Bell Labs' kunngjøring av oppfinnelsen av transistoren. Den 1. juli 1948 viet The New York Times tre avsnitt til hendelsen nederst i sin Radio News-rapport. Dessuten dukket denne nyheten opp etter andre, åpenbart ansett som viktigere: for eksempel det timelange radioprogrammet "Waltz Time", som skulle vises på NBC. I ettertid vil vi kanskje le, eller til og med skjelle ut de ukjente forfatterne – hvordan klarte de ikke å gjenkjenne hendelsen som snudde verden på hodet?
Men etterpåklokskap forvrenger oppfatningen, og forsterker signaler hvis betydning vi vet gikk tapt i et hav av støy på den tiden. Transistoren fra 1948 var veldig forskjellig fra transistorene til datamaskinene du leser denne artikkelen på (med mindre du bestemte deg for å skrive den ut). De skilte seg så mye at, til tross for det samme navnet og den ubrutte arvelinjen som forbinder dem, burde de betraktes som forskjellige arter, om ikke forskjellige slekter. De har forskjellige sammensetninger, forskjellige strukturer, forskjellige driftsprinsipper, for ikke å nevne den enorme forskjellen i størrelse. Det var bare gjennom konstant gjenoppfinnelse at den klønete enheten konstruert av Bardeen og Brattain kunne forvandle verden og livene våre.
Faktisk fortjente ikke enkeltpunkts germaniumtransistoren mer oppmerksomhet enn den fikk. Den hadde flere defekter som var arvet fra vakuumrøret. Den var selvfølgelig mye mindre enn de mest kompakte lampene. Fraværet av en varm filament betydde at den produserte mindre varme, forbrukte mindre energi, ikke ble utbrent og ikke trengte oppvarming før bruk.
Imidlertid førte akkumulering av smuss på kontaktflaten til feil og negerte potensialet for lengre levetid; det ga et mer støyende signal; fungerte bare ved lav effekt og i et smalt frekvensområde; mislyktes i nærvær av varme, kulde eller fuktighet; og det kunne ikke produseres jevnt. Flere transistorer skapt på samme måte av de samme menneskene ville ha veldig forskjellige elektriske egenskaper. Og alt dette kostet åtte ganger så mye som en standard lampe.
Det var først i 1952 at Bell Labs (og andre patentinnehavere) hadde løst produksjonsproblemene nok til at enkeltpunktstransistorer ble praktiske enheter, og selv da spredte de seg ikke mye utover høreapparatmarkedet, hvor prisfølsomheten var relativt lav. og fordelene når det gjelder batterilevetid oppveide ulempene.
Men da hadde de første forsøkene allerede begynt å gjøre transistoren til noe bedre og mer nyttig. De begynte faktisk mye tidligere enn det øyeblikket da publikum fikk vite om dens eksistens.
Shockleys ambisjoner
Mot slutten av 1947 tok Bill Shockley seg en tur til Chicago i stor spenning. Han hadde vage ideer om hvordan han skulle slå Bardeen og Brattains nylig oppfunnet transistor, men hadde ennå ikke hatt en sjanse til å utvikle dem. Så i stedet for å nyte en pause mellom arbeidsfasene, tilbrakte han jul og nyttår på hotellet, og fylte rundt 20 sider av en notatbok med ideene sine. Blant dem var et forslag til en ny transistor bestående av en halvledersandwich - en skive av p-type germanium mellom to stykker av n-type.
Oppmuntret av dette esset i ermet, la Shockley krav på Bardeen og Brattain for deres retur til Murray Hill, og krevde all æren for å ha oppfunnet transistoren. Var det ikke hans idé om felteffekten som fikk Bardeen og Brattain inn i laboratoriet? Burde ikke dette gjøre det nødvendig å overføre alle rettigheter til patentet til ham? Shockleys triks slo imidlertid tilbake: Bell Labs patentadvokater fant ut at den ukjente oppfinneren, , patenterte en halvlederfelteffektforsterker nesten 20 år tidligere, i 1930. Lilienfeld implementerte selvfølgelig aldri ideen sin, gitt materialenes tilstand på den tiden, men risikoen for overlapping var for stor - det var bedre å unngå å nevne helt. felteffekten i patent.
Så selv om Bell Labs ga Shockley en sjenerøs andel av oppfinnerens kreditt, navngav de bare Bardeen og Brattain i patentet. Det som er gjort kan imidlertid ikke omgjøres: Shockleys ambisjoner ødela forholdet hans til to underordnede. Bardeen sluttet å jobbe på transistoren og konsentrerte seg om superledning. Han forlot laboratoriene i 1951. Brattain ble der, men nektet å jobbe med Shockley igjen, og insisterte på å bli overført til en annen gruppe.
På grunn av hans manglende evne til å jobbe med andre mennesker, gjorde Shockley aldri noen fremgang i laboratoriene, så han dro også derfra. I 1956 vendte han hjem til Palo Alto for å starte sitt eget transistorselskap, Shockley Semiconductor. Før han dro, skilte han seg fra kona Jean mens hun ble frisk etter livmorkreft, og ble involvert med Emmy Lanning, som han snart giftet seg med. Men av de to halvdelene av hans kaliforniske drøm – et nytt selskap og en ny kone – gikk bare én i oppfyllelse. I 1957 forlot hans beste ingeniører, sint over ledelsesstilen hans og retningen han tok selskapet i, for å grunnlegge et nytt selskap, Fairchild Semiconductor.
Shockley i 1956
Så Shockley forlot det tomme skallet til selskapet sitt og tok jobb i elektroingeniøravdelingen på Stanford. Der fortsatte han å fremmedgjøre sine kolleger (og hans eldste venn, fysikeren ) teorier om rasedegenerasjon som interesserte ham og – emner som har vært upopulære i USA siden slutten av forrige krig, spesielt i akademiske kretser. Han gledet seg over å vekke kontroverser, piske opp media og forårsake protester. Han døde i 1989, fremmedgjort fra sine barn og kolleger, og besøkt kun av sin alltid hengivne andre kone, Emmy.
Selv om hans svake forsøk på entreprenørskap mislyktes, hadde Shockley plantet et frø i fruktbar jord. San Francisco Bay Area produserte mange små elektronikkfirmaer, som ble skylt med finansiering fra den føderale regjeringen under krigen. Fairchild Semiconductor, Shockleys tilfeldige avkom, skapte dusinvis av nye selskaper, hvorav et par fortsatt er kjent i dag: Intel og Advanced Micro Devices (AMD). På begynnelsen av 1970-tallet hadde området fått det hånlige kallenavnet "Silicon Valley." Men vent litt - Bardeen og Brattain skapte germanium-transistoren. Hvor kom silisium fra?
Slik så det forlatte Mountain View-stedet som tidligere huset Shockley Semiconductor ut i 2009. I dag er bygget revet.
Mot Silicon Crossroads
Skjebnen til en ny type transistor, oppfunnet av Shockley på et hotell i Chicago, var mye lykkeligere enn oppfinnerens. Alt er takket være en manns ønske om å dyrke enkle, rene halvlederkrystaller. Gordon Teal, en fysikalsk kjemiker fra Texas som hadde studert det da ubrukelige germaniumet for sin doktorgrad, tok jobb ved Bell Labs på 30-tallet. Etter å ha lært om transistoren, ble han overbevist om at dens pålitelighet og kraft kunne forbedres betydelig ved å lage den fra en ren enkeltkrystall, i stedet for fra de polykrystallinske blandingene som ble brukt. Shockley avviste innsatsen hans som sløsing med ressurser.
Imidlertid vedvarte Teal og oppnådde suksess, ved hjelp av maskiningeniør John Little, og skapte en enhet som trekker ut et lite krystallfrø fra smeltet germanium. Da germanium avkjølte seg rundt kjernen, utvidet det sin krystallstruktur, og skapte et kontinuerlig og nesten rent halvledende gitter. Våren 1949 kunne Teal og Little lage krystaller på bestilling, og tester viste at de var langt bak sine polykrystallinske konkurrenter. Spesielt kan mindre transportører lagt til dem overleve inne i hundre mikrosekunder eller enda lenger (mot ikke mer enn ti mikrosekunder i andre krystallprøver).
Nå hadde Teal råd til flere ressurser, og rekrutterte flere folk til teamet sitt, blant dem var en annen fysisk kjemiker som kom til Bell Labs fra Texas - Morgan Sparks. De begynte å endre smelten for å lage p-type eller n-type germanium ved å tilsette perler av passende urenheter. I løpet av et år hadde de forbedret teknologien i en slik grad at de kunne dyrke en germanium n-p-n sandwich direkte i smelten. Og det fungerte nøyaktig slik Shockley forutså: et elektrisk signal fra p-type-materialet modulerte den elektriske strømmen mellom to ledere koblet til n-type-stykkene som omgir den.
Morgan Sparks og Gordon Teal på en arbeidsbenk på Bell Labs
Denne voksende koblingstransistoren utkonkurrerer sin enkeltpunktskontaktforfedre på nesten alle måter. Spesielt var den mer pålitelig og forutsigbar, produserte mye mindre støy (og var derfor mer følsom), og var ekstremt energieffektiv – forbrukte en million ganger mindre energi enn et typisk vakuumrør. I juli 1951 holdt Bell Labs nok en pressekonferanse for å kunngjøre den nye oppfinnelsen. Allerede før den første transistoren klarte å nå markedet, hadde den allerede blitt i det vesentlige irrelevant.
Og likevel var dette bare begynnelsen. I 1952 annonserte General Electric (GE) utviklingen av en ny prosess for å lage krysstransistorer, fusjonsmetoden. I rammeverket ble to kuler av indium (p-type donor) smeltet sammen på begge sider av en tynn skive av n-type germanium. Denne prosessen var enklere og billigere enn å vokse kryss i en legering; en slik transistor ga mindre motstand og støttet høyere frekvenser.
Vokste og smeltede transistorer
Året etter bestemte Gordon Teal seg for å returnere til hjemstaten og tok jobb hos Texas Instruments (TI) i Dallas. Selskapet ble grunnlagt som Geophysical Services, Inc., og produserte opprinnelig utstyr for oljeleting, TI hadde åpnet en elektronikkdivisjon under krigen, og gikk nå inn på transistormarkedet under lisens fra Western Electric (produksjonsavdelingen til Bell Labs).
Teal tok med seg nye ferdigheter lært i laboratoriene: evnen til å vokse og silisium monokrystaller. Den mest åpenbare svakheten til germanium var dens følsomhet for temperatur. Når de ble utsatt for varme, kastet germaniumatomene i krystallen raskt frie elektroner, og den ble i økende grad en leder. Ved en temperatur på 77 °C sluttet den å fungere som en transistor. Hovedmålet for transistorsalg var militæret - en potensiell forbruker med lav prisfølsomhet og et stort behov for stabile, pålitelige og kompakte elektroniske komponenter. Temperaturfølsomt germanium ville imidlertid ikke være nyttig i mange militære applikasjoner, spesielt i romfartsfeltet.
Silisium var mye mer stabilt, men kom på bekostning av et mye høyere smeltepunkt, sammenlignbart med stål. Dette forårsaket enorme vanskeligheter, gitt at det var nødvendig med veldig rene krystaller for å lage transistorer av høy kvalitet. Varmt smeltet silisium ville absorbere forurensninger fra hvilken smeltedigel det var i. Teel og teamet hans ved TI var i stand til å overvinne disse utfordringene ved å bruke ultrarene silisiumprøver fra DuPont. I mai 1954, på en Institute of Radio Engineering-konferanse i Dayton, Ohio, demonstrerte Teal at nye silisiumenheter produsert i laboratoriet hans fortsatte å fungere selv når de ble nedsenket i varm olje.
Vellykkede oppkomlinger
Til slutt, rundt syv år etter at transistoren først ble oppfunnet, kunne den lages av materialet som den hadde blitt synonymt med. Og omtrent like lang tid vil gå før transistorer dukker opp som omtrent ligner formen som brukes i våre mikroprosessorer og minnebrikker.
I 1955 lærte Bell Labs-forskere å lage silisiumtransistorer med en ny dopingteknologi - i stedet for å tilsette faste kuler av urenheter til en flytende smelte, introduserte de gassformige tilsetningsstoffer i den faste overflaten av halvlederen (). Ved å nøye kontrollere temperaturen, trykket og varigheten av prosedyren, oppnådde de nøyaktig den nødvendige dybden og graden av doping. Større kontroll over produksjonsprosessen har gitt større kontroll over de elektriske egenskapene til sluttproduktet. Enda viktigere, termisk diffusjon gjorde det mulig å produsere produktet i partier - du kunne dope en stor skive silisium og deretter kutte den i transistorer. Militæret ga midler til Bell Laboratories fordi å sette opp produksjonen krevde høye forhåndskostnader. De trengte et nytt produkt for en ultra-høyfrekvent tidlig varslingsradarlink (“"), en kjede av arktiske radarstasjoner designet for å oppdage sovjetiske bombefly som flyr fra Nordpolen, og de var villige til å betale ut $100 per transistor (dette var dagene da en ny bil kunne kjøpes for $2000).
Legering med , som kontrollerte plasseringen av urenheter, åpnet muligheten for å etse hele kretsen helt på ett halvledersubstrat - dette ble samtidig tenkt på av Fairchild Semiconductor og Texas Instruments i 1959. "" fra Fairchild brukte kjemisk avsetning av metallfilmer som forbinder de elektriske kontaktene til transistoren. Det eliminerte behovet for å lage manuelle ledninger, reduserte produksjonskostnader og økt pålitelighet.
Til slutt, i 1960, implementerte to Bell Labs-ingeniører (John Atalla og Davon Kahn) Shockleys originale konsept for en felteffekttransistor. Et tynt lag med oksid på overflaten av halvlederen var i stand til effektivt å undertrykke overflatetilstander, noe som fikk det elektriske feltet fra aluminiumsporten til å trenge inn i silisiumet. Dermed ble MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (eller MOS-struktur, fra metall-oksid-halvleder), som viste seg å være så lett å miniatyrisere, og som fortsatt brukes i nesten alle moderne datamaskiner (interessant nok) født , Atalla kommer fra Egypt, og Kang er fra Sør-Korea, og praktisk talt bare disse to ingeniørene fra hele vår historie har ikke europeiske røtter).
Til slutt, tretten år etter oppfinnelsen av den første transistoren, dukket det opp noe som liknet transistoren i datamaskinen din. Den var lettere å produsere og brukte mindre strøm enn koblingstransistoren, men var ganske treg til å reagere på signaler. Det var først med spredningen av storskala integrerte kretser, med hundrevis eller tusenvis av komponenter plassert på en enkelt brikke, at fordelene med felteffekttransistorer kom til syne.
Illustrasjon fra felteffekttransistorpatentet
Felteffekten var Bell Labs siste store bidrag til utviklingen av transistoren. Store elektronikkprodusenter som Bell Laboratories (med deres Western Electric), General Electric, Sylvania og Westinghouse har samlet en imponerende mengde halvlederforskning. Fra 1952 til 1965 registrerte Bell Laboratories alene mer enn to hundre patenter på dette emnet. Likevel falt det kommersielle markedet raskt i hendene på nye aktører som Texas Instruments, Transitron og Fairchild.
Det tidlige transistormarkedet var for lite til å tiltrekke seg oppmerksomheten til de store aktørene: rundt 18 millioner dollar i året på midten av 1950-tallet, sammenlignet med et totalt elektronikkmarked på 2 milliarder dollar. Imidlertid fungerte forskningslaboratoriene til disse gigantene som utilsiktede treningsleirer hvor unge forskere kunne absorbere halvlederkunnskap før de gikk videre for å selge tjenestene sine til mindre firmaer. Da markedet for rørelektronikk begynte å krympe for alvor på midten av 1960-tallet, var det for sent for Bell Labs, Westinghouse og resten til å konkurrere med oppkomlingene.
Overgangen av datamaskiner til transistorer
På 1950-tallet invaderte transistorer elektronikkverdenen i fire hovedområder. De to første var høreapparater og bærbare radioer, der lavt strømforbruk og resulterende lang batterilevetid overkjørte andre hensyn. Den tredje var militær bruk. Den amerikanske hæren hadde store forhåpninger til transistorer som pålitelige, kompakte komponenter som kunne brukes i alt fra feltradioer til ballistiske missiler. Men i de tidlige dagene virket deres utgifter på transistorer mer som et veddemål på teknologiens fremtid enn en bekreftelse på deres daværende verdi. Og til slutt var det også digital databehandling.
På datafeltet var manglene ved vakuumrørbrytere velkjente, og noen skeptikere før krigen trodde til og med at en elektronisk datamaskin ikke kunne gjøres til en praktisk enhet. Når tusenvis av lamper ble samlet i en enhet, spiste de opp elektrisitet, og produserte enorme mengder varme, og når det gjelder pålitelighet, kunne man bare stole på deres vanlige utbrenthet. Derfor ble den laveffekts, kule og trådløse transistoren datamaskinprodusentenes redning. Dens ulemper som forsterker (støyere utgang, for eksempel) var ikke et slikt problem når den ble brukt som en bryter. Den eneste hindringen var kostnadene, og etter hvert ville de begynne å falle kraftig.
Alle de tidlige amerikanske eksperimentene med transistoriserte datamaskiner skjedde i skjæringspunktet mellom militærets ønske om å utforske potensialet til en lovende ny teknologi og ingeniørers ønske om å gå over til forbedrede brytere.
Bell Labs bygde TRADIC for det amerikanske luftvåpenet i 1954 for å se om transistorer ville gjøre det mulig å installere en digital datamaskin om bord på et bombefly, erstatte analog navigasjon og hjelpe til med å finne mål. MIT Lincoln Laboratory utviklet TX-0-datamaskinen som en del av et omfattende luftvernprosjekt i 1956. Maskinen brukte en annen variant av overflatebarrieretransistoren, godt egnet for høyhastighetsdatabehandling. Philco bygde sin SOLO-datamaskin under en kontrakt med marinen (men faktisk på forespørsel fra NSA), og fullførte den i 1958 (ved å bruke en annen variant av overflatebarrieretransistoren).
I Vest-Europa, mindre utstyrt med ressurser under den kalde krigen, var historien veldig annerledes. Maskiner som Manchester Transistor Computer, (et annet navn inspirert av ENIAC-prosjektet, og stavet baklengs), og østerriksk var sideprosjekter som brukte ressursene deres skapere kunne skrape sammen – inkludert førstegenerasjons enkeltpunktstransistorer.
Det er mye kontrovers om tittelen på den første datamaskinen som brukte transistorer. Alt kommer selvfølgelig ned på å velge de riktige definisjonene for ord som «først», «transistor» og «datamaskin». Uansett vet vi hvor historien ender. Kommersialisering av transistoriserte datamaskiner begynte nesten umiddelbart. År etter år ble datamaskiner for samme pris kraftigere og kraftigere, og datamaskiner med samme kraft ble billigere, og denne prosessen virket så ubønnhørlig at den ble hevet til lovens rangering, ved siden av tyngdekraften og bevaring av energi. Trenger vi å krangle om hvilken rullestein som kollapset først?
Hvor kommer Moores lov fra?
Når vi nærmer oss slutten av bryterens historie, er det verdt å spørre: hva var årsaken til at denne kollapsen skjedde? Hvorfor eksisterer (eller eksisterte) Moores lov - det skal vi krangle om en annen gang? Det er ingen Moores lov for fly eller støvsugere, akkurat som det ikke er noen for vakuumrør eller releer.
Svaret har to deler:
- Logiske egenskaper for en bryter som en artefaktkategori.
- Evnen til å bruke rent kjemiske prosesser for å lage transistorer.
Først om essensen av bryteren. Egenskapene til de fleste artefakter må tilfredsstille et bredt spekter av utilgivende fysiske begrensninger. Et passasjerfly må tåle den samlede vekten til mange mennesker. En støvsuger må kunne suge en viss mengde smuss på en viss tid fra et bestemt fysisk område. Fly og støvsugere ville være ubrukelige hvis de ble redusert til nanoskala.
En bryter, en automatisk bryter som aldri har blitt berørt av en menneskehånd, har langt færre fysiske begrensninger. Den må ha to forskjellige tilstander, og den må kunne kommunisere med andre lignende brytere når tilstandene deres endres. Det vil si at alt den skal kunne gjøre er å slå av og på. Hva er så spesielt med transistorer? Hvorfor har ikke andre typer digitale brytere opplevd slike eksponentielle forbedringer?
Her kommer vi til det andre faktum. Transistorer kan lages ved hjelp av kjemiske prosesser uten mekanisk inngrep. Helt fra begynnelsen var et nøkkelelement i transistorproduksjonen bruken av kjemiske urenheter. Så kom den plane prosessen, som eliminerte det siste mekaniske trinnet fra produksjonen – feste av ledningene. Som et resultat ble han kvitt den siste fysiske begrensningen på miniatyrisering. Transistorer trengte ikke lenger å være store nok for menneskelige fingre – eller noen mekanisk enhet. Det hele ble gjort med enkel kjemi, i en ufattelig liten skala: syre for å etse, lys for å kontrollere hvilke deler av overflaten som ville motstå etsing, og damp for å introdusere urenheter og metallfilmer i de etsede sporene.
Hvorfor er miniatyrisering nødvendig i det hele tatt? Å redusere størrelsen ga en hel galakse av hyggelige bivirkninger: økt byttehastighet, redusert energiforbruk og kostnaden for enkeltkopier. Disse kraftige insentivene har ført til at alle har søkt etter måter å redusere byttet ytterligere. Og halvlederindustrien har gått fra å lage brytere på størrelse med en negl til å pakke titalls millioner brytere per kvadratmillimeter i løpet av en manns levetid. Fra å be åtte dollar for én bytte til å tilby tjue millioner brytere for en dollar.
Intel 1103 minnebrikke fra 1971. Individuelle transistorer, bare titalls mikrometer store, er ikke lenger synlige for øyet. Og siden har de gått ned ytterligere tusen ganger.
Hva annet å lese:
- Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
- Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Kilde: www.habr.com