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Por mais de cem anos, o cão analógico abanou o rabo digital. As tentativas de expandir as capacidades de nossos sentidos - visão, audição e, de certa forma, tato - levaram engenheiros e cientistas em busca de melhores componentes para telégrafos, telefones, rádios e radares. Apenas por uma feliz coincidência, essas buscas descobriram um caminho para a criação de novos tipos de máquinas digitais. E eu decidi contar a história dessa constante , durante a qual engenheiros de telecomunicações forneciam os materiais básicos para os primeiros computadores digitais e, às vezes, até mesmo projetavam e criavam esses computadores.
Mas, na década de 1960, essa colaboração frutífera chegou ao fim, assim como minha história. Os fabricantes de equipamentos digitais já não precisavam mais olhar para o mundo dos telégrafos, telefones e rádios em busca de novos interruptores aprimorados, pois o transistor em si forneceu uma fonte inesgotável de melhorias. Ano após ano, eles cavavam cada vez mais fundo, sempre encontrando maneiras de aumentar exponencialmente a velocidade de operação e diminuir os custos.
No entanto, nada disso teria acontecido se a invenção do transistor tivesse parado na .
Começo lento
Na imprensa popular, não havia entusiasmo ativo com o anúncio dos laboratórios Bell sobre a invenção do transistor. Em 1º de julho de 1948, o The New York Times dedicou três parágrafos a esse evento no final de um resumo das 'Notícias de rádio'. Além disso, essa notícia apareceu após outras que, aparentemente, eram consideradas mais importantes: como um show de rádio sobre o relógio chamado 'Hora da Valsa', que deveria ser exibido na NBC. Com a perspectiva do tempo, talvez queiramos rir ou até mesmo criticar os autores desconhecidos - como eles não conseguiram reconhecer um evento que mudou o mundo?
Mas olhar para o passado distorce a percepção, amplificando aqueles sinais cuja importância conhecemos, embora naquela época tenham se perdido em um mar de ruído. O transistor de 1948 era muito diferente dos transistores dos computadores, em um dos quais você está lendo este artigo (se não decidiu imprimi-lo). Eram tão diferentes que, apesar de serem chamados pelo mesmo nome e de ter uma linha contínua de herança entre eles, deveriam ser considerados diferentes espécies, se não diferentes gêneros. Eles têm composições diferentes, estruturas diferentes, princípios de funcionamento diferentes, sem mencionar a enorme diferença em tamanhos. Somente graças a constantes reinvenções o dispositivo desajeitado criado por Bardeen e Brattain conseguiu transformar o mundo e nossas vidas.
Na verdade, o transistor de germânio com um ponto de contato não merecia mais atenção do que recebeu. Ele tinha vários defeitos herdados da lâmpada eletrônica. Claro, era muito menor do que as lâmpadas mais compactas. A ausência do filamento incandescente significava que ele gerava menos calor, consumia menos energia, não queimava e não precisava de aquecimento antes do uso.
No entanto, o acúmulo de sujeira na superfície de contato levava a falhas e anulava o potencial de uma vida útil mais longa; ele emitia um sinal mais ruidoso; funcionava apenas em baixas potências e numa faixa estreita de frequências; falhava em condições de calor, frio ou umidade; e não era possível produzí-lo de maneira uniforme. Vários transistores, criados da mesma forma e pelas mesmas pessoas, apresentariam características elétricas surpreendentemente diferentes. E tudo isso tinha um custo oito vezes maior do que o de uma lâmpada padrão.
Somente em 1952, os laboratórios Bell (e outros proprietários da patente) resolveram os problemas de produção o suficiente para que transistores de ponto de contato se tornassem dispositivos práticos, e mesmo assim, não se espalharam muito além do mercado de aparelhos auditivos, onde a sensibilidade ao preço era relativamente baixa, e as vantagens relacionadas à duração da bateria superavam as desvantagens.
No entanto, as primeiras tentativas de transformar o transistor em algo melhor e mais útil já haviam começado. Na verdade, elas começaram muito antes de o público tomar conhecimento de sua existência.
As Ambições de Shockley
No final de 1947, Bill Shockley fez uma viagem animada a Chicago. Ele tinha ideias vagas sobre como superar o recém-inventado transistor de Bardeen e Brattain, mas ainda não havia tido a chance de desenvolvê-las. Portanto, em vez de aproveitar a pausa entre as etapas do trabalho, passou o Natal e o Ano Novo em um hotel, preenchendo cerca de 20 páginas de um caderno com suas ideias. Entre elas estava a proposta de um novo transistor, composto por um sanduíche de semicondutores – uma fatia de germânio do tipo p entre duas peças do tipo n.
Animado por ter um trunfo na manga, Shockley fez alegações a Bardeen e Brattain ao voltarem para Murray Hill, reivindicando toda a fama pela invenção do transistor. Não foi sua ideia sobre o efeito de campo que fez Bardeen e Brattain ficarem trancados no laboratório? Não seria necessário, por isso, transferir todos os direitos da patente para ele? No entanto, a astúcia de Shockley lhe saiu pela culatra: os advogados de patentes dos laboratórios Bell descobriram que um inventor desconhecido, , já havia patenteado um amplificador semicondutor com efeito de campo quase 20 anos antes, em 1930. Lilienfeld, claro, nunca concretizou sua ideia, considerando o estado dos materiais na época, mas o risco de sobreposição era grande demais – era melhor evitar completamente a menção ao efeito de campo na patente.
Assim, embora os laboratórios Bell tenham concedido a Shockley uma generosa parte da fama de inventor, na patente foram mencionados apenas Bardeen e Brattain. No entanto, o que foi feito não pode ser desfeito: as ambições de Shockley destruíram seu relacionamento com os dois subordinados. Bardeen parou de trabalhar no transistor e se concentrou em supercondutividade. Ele deixou os laboratórios em 1951. Brattain permaneceu lá, mas se recusou a trabalhar novamente com Shockley, insistindo em ser transferido para outro grupo.
Devido à sua incapacidade de trabalhar com outras pessoas, Shockley não avançou nas laboratórios e acabou deixando o local. Em 1956, ele voltou para casa em Palo Alto para fundar sua própria empresa de produção de transistores, a Shockley Semiconductor. Antes de partir, ele se separou de sua esposa, Jean, enquanto ela se recuperava de um câncer de útero, e começou um relacionamento com Emmy Lenning, com quem logo se casou. Mas das duas metades de seu sonho californiano – a nova empresa e a nova esposa – apenas uma se concretizou. Em 1957, seus melhores engenheiros, furiosos com seu estilo de gestão e a direção que ele estava levando a empresa, deixaram-no para fundar uma nova firma, a Fairchild Semiconductor.
Shockley em 1956
Portanto, Shockley abandonou a casca vazia de sua empresa e se estabeleceu no departamento de engenharia elétrica de Stanford. Lá, ele continuou a afastar seus colegas (e seu amigo de longa data, o físico ) com suas teorias sobre a degeneração racial e – temas que não eram populares nos Estados Unidos desde o fim da última guerra, especialmente em círculos acadêmicos. Ele achava prazer em provocar debates, agitar a mídia e gerar protestos. Ele faleceu em 1989, afastando-se de filhos e colegas, frequentado apenas por sua eternamente dedicada segunda esposa, Emmy.
Embora suas patéticas tentativas no mundo dos negócios tenham falhado, Shockley semeou uma ideia fértil. A área da baía de São Francisco gerou inúmeras pequenas empresas de eletrônicos, que recebiam financiamento do governo federal durante a guerra. A Fairchild Semiconductor, um subproduto acidental de Shockley, gerou dezenas de novas empresas, algumas das quais são conhecidas até hoje: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). No início dos anos 1970, essa área ganhou o apelido irônico de 'Vale do Silício'. Mas espera aí – Bardin e Breteain criaram o transistor de germânio. De onde veio o silício?
Assim era o local abandonado em Mountain View em 2009, onde antes ficava a Shockley Semiconductor. Hoje o prédio foi demolido.
Para o cruzamento do silício
O destino do novo tipo de transistor, criado por Shockley em um hotel em Chicago, foi muito mais feliz do que o de seu inventor. Tudo graças ao desejo de um homem de cultivar cristais semicondutores puros e únicos. Gordon Teal, um químico físico do Texas, que estudava o germânio, então considerado inútil, para seu doutorado, começou a trabalhar no laboratório Bell na década de 1930. Ao tomar conhecimento do transistor, ele se convenceu de que sua confiabilidade e potência poderiam ser significativamente melhoradas, criando-o a partir de um monocristal puro, e não de misturas policristalinas que eram utilizadas na época. Shockley rejeitou suas tentativas, considerando-as uma perda de recursos.
No entanto, Teal persistiu e teve sucesso, criando um aparelho com a ajuda do engenheiro mecânico John Little, que extraía um minúsculo embrião cristalino do germânio fundido. Ao esfriar ao redor do embrião, o germânio expandia sua estrutura cristalina, criando uma grade semicondutora contínua e quase pura. Na primavera de 1949, Teal e Little podiam produzir cristais sob demanda, e os testes mostraram que eles deixavam muito para trás seus concorrentes policristalinos. Em particular, os portadores secundários adicionados podiam sobreviver internamente por uma centena de microssegundos ou até mais (contra não mais que dez microssegundos em outros tipos de cristais).
Agora, Teal podia se permitir mais recursos e ampliou sua equipe, incluindo outro químico físico que havia chegado ao laboratório Bell do Texas – Morgan Sparks. Eles começaram a alterar a mistura para produzir germânio do tipo p ou do tipo n, adicionando esferas das impurezas correspondentes. Após mais um ano, aprimoraram a tecnologia a tal ponto que podiam cultivar um sanduíche de germânio n-p-n diretamente no derretido. E ele funcionava exatamente como prevê Shockley: o sinal elétrico do material do tipo p modulava a corrente elétrica entre dois condutores conectados aos pedaços circundantes do tipo n.
Morgan Sparks e Gordon Teal em uma bancada nos laboratórios Bell
Este transistor com junção cristalizada superou seu antecessor com contato pontual em quase todos os aspectos. Em particular, tornou-se mais confiável e previsível, gerando muito menos ruído (e, consequentemente, sendo mais sensível), além de ser extremamente eficiente em termos de energia – consumindo um milhão de vezes menos energia do que uma lâmpada eletrônica típica. Em julho de 1951, os laboratórios Bell organizaram mais uma conferência de imprensa para anunciar a nova invenção. Mesmo antes do primeiro transistor sair para o mercado, ele já era praticamente considerado obsoleto.
E ainda assim, isso foi apenas o começo. Em 1952, a General Electric (GE) anunciou o desenvolvimento de um novo processo de fabricação de transistores por junção, utilizando um método de fusão. Neste processo, duas esferas de índio (do tipo p doador) eram fundidas em ambos os lados de uma fina fatia de germânio do tipo n. Esse processo era mais simples e barato do que o crescimento de junções em ligas; esse transistor apresentava menor resistência e suportava maiores frequências.
Transistores cristalizados e de fusão
No ano seguinte, Gordon Teal decidiu voltar ao seu estado natal e conseguiu um emprego na Texas Instruments (TI) em Dallas. A empresa foi fundada sob o nome de Geophysical Services, Inc., e inicialmente fabricava equipamentos para exploração de campos de petróleo; a TI abriu uma divisão de eletrônica durante a guerra e agora estava entrando no mercado de transistores sob licença da Western Electric (divisão de produção dos laboratórios Bell).
Teal trouxe consigo novas habilidades adquiridas nos laboratórios: a capacidade de cultivar e monocristais de silício. A fraqueza mais óbvia do germânio era sua sensibilidade à temperatura. Sob a influência do calor, os átomos de germânio no cristal rapidamente perdiam elétrons livres, tornando-se cada vez mais um condutor. A temperaturas em 77 °C, ele parava completamente de funcionar como transistor. O principal alvo de vendas de transistores eram as forças armadas – um consumidor potencial com baixa sensibilidade a preços e uma enorme necessidade de componentes eletrônicos estáveis, confiáveis e compactos. No entanto, o germânio sensível à temperatura não seria útil em muitos casos de aplicação militar, especialmente na área aeroespacial.
O silício era muito mais estável, mas custava uma temperatura de fusão muito mais alta, comparável à do aço. Isso causava enormes dificuldades, considerando que para a fabricação de transistores de alta qualidade eram necessários cristais extremamente puros. O silício fundido quente absorveria contaminações de qualquer cadinho em que estivesse. Til e sua equipe da TI conseguiram superar essas dificuldades com amostras de silício ultrapurificadas da DuPont. Em maio de 1954, na conferência do Instituto de Engenheiros de Rádio em Dayton, Ohio, Til demonstrou que os novos dispositivos de silício produzidos em seu laboratório continuavam funcionando mesmo quando mergulhados em óleo quente.
Arrivistas bem-sucedidos
Finalmente, cerca de sete anos após a invenção do transistor, já era possível fabricá-lo a partir do material com o qual se tinha tornado sinônimo. E mais ou menos o mesmo tempo passaria até o surgimento de transistores que se assemelham grossamente à forma utilizada em nossos microprocessadores e chips de memória.
Em 1955, cientistas dos Laboratórios Bell conseguiram fabricar transistores de silício com uma nova tecnologia de dopagem – em vez de adicionar pequenos grânulos sólidos de contaminantes ao líquido fundido, eles introduziam aditivos gasosos na superfície sólida do semicondutor (). Controlando cuidadosamente a temperatura, pressão e duração do processo, eles alcançavam a profundidade e grau de dopagem exatos necessários. O aumento do controle sobre o processo de fabricação proporcionou um aumento no controle sobre as propriedades elétricas do produto final. Além disso, a termodifusão permitiu a produção em lotes – era possível dopar uma grande placa de silício e depois cortá-la em transistores. Os militares financiaram os Laboratórios Bell, uma vez que a organização da fabricação exigia altos investimentos iniciais. Eles precisavam de um novo produto para a linha de detecção de radar de ultra alta frequência («), na cadeia de estações de radar ártico, projetadas para detectar bombardeiros soviéticos vindo do Polo Norte, e eles estavam prontos para pagar $100 por transistor (naquela época, um carro novo podia ser comprado por $2000).
A liga juntamente com , que gerenciava a localização de impurezas, possibilitou a gravação de todo o contorno de uma só vez em um substrato semicondutor – até então, isso havia sido descoberto simultaneamente pela Fairchild Semiconductor e pela Texas Instruments em 1959. «» da Fairchild utilizava deposição química de filmes metálicos, conectando os contatos elétricos do transistor. Isso eliminava a necessidade de criar fiação manualmente, reduzia os custos de produção e aumentava a confiabilidade.
Finalmente, em 1960, dois engenheiros dos laboratórios Bell (John Atalla e Devon Kahn) implementaram o conceito original do transistor de efeito de campo de Shockley. Uma fina camada de óxido na superfície do semicondutor pôde efetivamente suprimir estados superficiais, resultando em um campo elétrico do portão de alumínio penetrando no silício. Assim nasceu o MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (ou estrutura MOS, de metal-óxido-semiconductor), que se mostrou tão fácil de miniaturizar, e que ainda é utilizado na maioria dos computadores modernos (curiosamente, Atalla era do Egito e Kahn da Coreia do Sul, e praticamente esses dois engenheiros, entre toda a nossa história, não têm raízes europeias).
Finalmente, treze anos após a invenção do primeiro transistor, surgiu algo que se assemelhava ao transistor do seu computador. Era mais fácil de fabricar, consumia menos energia do que o transistor planar, porém reagia bem lentamente aos sinais. Apenas após a popularização de circuitos integrados grandes com centenas ou milhares de componentes localizados em um único chip, as vantagens dos transistores de efeito de campo se destacaram.
Ilustração da patente do transistor de efeito de campo
O efeito de campo foi a última contribuição significativa dos laboratórios Bell no desenvolvimento do transistor. Grandes fabricantes de eletrônicos, como os laboratórios Bell (com sua Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse, acumularam um impressionante volume de pesquisas em semicondutores. De 1952 a 1965, apenas os laboratórios Bell registraram mais de duzentas patentes sobre o assunto. No entanto, o mercado comercial rapidamente passou a mãos de novos jogadores, como Texas Instruments, Transitron e Fairchild.
O mercado inicial de transistores era pequeno demais para chamar a atenção dos grandes players: cerca de US$ 18 milhões por ano no meio da década de 1950, em comparação com o volume total do mercado de eletrônicos de US$ 2 bilhões. No entanto, os laboratórios de pesquisa desses gigantes serviam como campos de treinamento não intencionais, onde jovens cientistas podiam absorver conhecimento sobre semicondutores antes de migrar para vender seus serviços a empresas menores. Quando o mercado de eletrônicos de válvula começou a encolher seriamente no meio da década de 1960, já era tarde demais para os laboratórios Bell, Westinghouse e outros competirem com os novatos.
A transição dos computadores para transistores
Na década de 1950, os transistores invadiram o mundo da eletrônica em quatro áreas mais significativas. As duas primeiras foram aparelhos auditivos e rádios portáteis, onde o baixo consumo de energia e, consequentemente, a longa duração da bateria superavam outras considerações. A terceira foi a aplicação militar. O Exército dos EUA tinha grandes esperanças nos transistores como componentes confiáveis e compactos que poderiam ser usados em tudo, desde rádio de campo até mísseis balísticos. No entanto, inicialmente, seus gastos em transistores mais pareciam uma aposta no futuro da tecnologia do que uma confirmação de seu valor na época. E, finalmente, houve também a computação digital.
Na área da computação, as desvantagens dos comutadores de lâmpadas eletrônicas eram bem conhecidas, e alguns céticos, até a guerra, acreditavam que seria impossível tornar o computador eletrônico um dispositivo prático. Quando milhares de lâmpadas eram reunidas em um único dispositivo, elas consumiam eletricidade, gerando uma enorme quantidade de calor, e em termos de confiabilidade, era possível contar apenas com a queima regular delas. Assim, o transistor, que consome pouco, é frio e não possui filamento, tornou-se o salvador dos fabricantes de computadores. Suas desvantagens como amplificador (por exemplo, um sinal de saída mais ruidoso) não representavam um grande problema ao usá-lo como um comutador. O único obstáculo era o custo, que, em seu tempo, começaria a cair drasticamente.
Todos os primeiros experimentos americanos com computadores transistorizados ocorreram na interseção do desejo militar de explorar o potencial da nova tecnologia promissora e o desejo dos engenheiros de migrar para comutadores melhorados.
Nos laboratórios Bell, em 1954, foi construído o TRADIC para a Força Aérea dos EUA, para verificar se os transistores poderiam permitir a instalação de um computador digital a bordo de um bombardeiro, substituindo a navegação analógica e a assistência na busca de alvos. O Laboratório Lincoln do MIT desenvolveu o computador TX-0 como parte de um extenso projeto de defesa aérea em 1956. A máquina utilizava mais uma variante do transistor, o de barreira superficial, que era bem adequado para cálculos de alta velocidade. A Philco construiu seu computador SOLO sob contrato com a Marinha (embora, na verdade, a pedido da NSA), finalizando-o em 1958 (utilizando mais uma variante do transistor de barreira superficial).
Na Europa Ocidental, que não tinha tantos recursos durante a Guerra Fria, a história era bem diferente. Máquinas como o Manchester Transistor Computer, (outra denominação, inspirada no projeto ENIAC, e criptografada ao ser escrita ao contrário), e o austríaco eram projetos paralelos que utilizaram os recursos que seus criadores conseguiram reunir – incluindo transistores de contato único de primeira geração.
Há muitas discussões sobre qual foi o primeiro computador a usar transistores. Tudo, é claro, depende da escolha das definições corretas para palavras como "primeiro", "transistor" e "computador". De qualquer forma, é sabido onde a história termina. A comercialização de computadores com transistores começou quase imediatamente. Ano após ano, computadores pelo mesmo preço tornaram-se cada vez mais poderosos, e computadores com o mesmo poder tornaram-se cada vez mais baratos, e esse processo parecia tão implacável que foi elevado à categoria de lei, ao lado da gravidade e da conservação de energia. Precisamos debater sobre qual pedrinha foi a primeira a iniciar a avalanche?
De onde vem a Lei de Moore?
Ao nos aproximarmos do final da história do interruptor, vale a pena perguntar: o que levou ao surgimento dessa avalanche? Por que a Lei de Moore existe (ou existiu – discutiremos isso em outra ocasião)? Não há Lei de Moore para aviões ou aspiradores de pó, assim como não a há para válvulas eletrônicas ou relés.
A resposta consiste em duas partes:
- As propriedades lógicas do interruptor como categoria de artefato.
- A possibilidade de utilizar processos puramente químicos para a fabricação de transistores.
Primeiro, sobre a essência do interruptor. As propriedades da maioria dos artefatos devem atender a uma ampla gama de limitações físicas implacáveis. Um avião de passageiros deve suportar o peso total de diversas pessoas. Um aspirador de pó deve ser capaz de aspirar uma determinada quantidade de sujeira em um determinado tempo e em uma determinada área física. Aviões e aspiradores de pó seriam inúteis se fossem reduzidos a nanos escalas.
Por outro lado, o interruptor – um interruptor automático que nunca foi tocado pela mão humana – tem muito menos limitações físicas. Ele deve ter dois estados distintos e ser capaz de comunicar a outros interruptores semelhantes a mudança em seus estados. Ou seja, tudo o que ele precisa ser capaz de fazer é ligar e desligar. O que há de tão especial nos transistores? Por que outros tipos de interruptores digitais não experimentaram melhorias exponenciais semelhantes?
Aqui estamos chegando ao segundo fato. Os transistores podem ser fabricados por meio de processos químicos sem intervenção mecânica. Desde o início, a aplicação de impurezas químicas foi um elemento chave na produção de transistores. Em seguida, surgiu o processo planar, eliminando o último passo mecânico da produção - a conexão de fios. Como resultado, isso removeu a última limitação física à miniaturização. Os transistores já não precisavam ser grandes o suficiente para os dedos humanos - ou para qualquer dispositivo mecânico. Tudo era feito por uma simples química, em uma escala incrivelmente pequena: ácido para corrosão, luz para controlar quais partes da superfície resistiriam à corrosão, e vapores para a introdução de impurezas e filmes metálicos nas trilhas corroídas.
Mas por que miniaturização é realmente necessária? A redução de tamanho trouxe uma série de efeitos colaterais agradáveis: aumento da velocidade de comutação, diminuição do consumo de energia e redução do custo de unidades individuais. Esses poderosos estímulos incentivaram todos a buscar maneiras de reduzir ainda mais os interruptores. E a indústria de semicondutores, durante a vida de uma pessoa, passou de fabricar interruptores do tamanho de uma unha até embalar dezenas de milhões de interruptores em um milímetro quadrado. De um pedido de oito dólares por um interruptor a uma oferta de vinte milhões de interruptores por um dólar.
Chip de memória Intel 1103 de 1971. Transistores individuais, com tamanho de apenas algumas dezenas de micrômetros, já não são discerníveis ao olho nu. E desde então, eles diminuíram mais mil vezes.
O que mais ler:
- Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolução em Miniatura (1978)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Gênio Quebrado (1997)
Fonte: habr.com
