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Por mais de cem anos, o cão analógico abanou o rabo digital. As tentativas de expandir as capacidades dos nossos sentidos - visão, audição e até, em certo sentido, tato - levaram engenheiros e cientistas a procurar melhores componentes para telégrafos, telefones, rádios e radares. Foi apenas por pura sorte que esta busca descobriu o caminho para a criação de novos tipos de máquinas digitais. E resolvi contar a história dessa constante , durante o qual os engenheiros de telecomunicações forneceram as matérias-primas para os primeiros computadores digitais e, por vezes, até projetaram e construíram eles próprios esses computadores.
Mas na década de 1960, esta colaboração frutífera chegou ao fim, e com ela a minha história. Os fabricantes de equipamentos digitais não precisavam mais recorrer aos mundos do telégrafo, do telefone e do rádio em busca de interruptores novos e aprimorados, uma vez que o próprio transistor fornecia uma fonte inesgotável de melhorias. Ano após ano eles cavaram cada vez mais fundo, sempre encontrando maneiras de aumentar exponencialmente a velocidade e reduzir custos.
No entanto, nada disso teria acontecido se a invenção do transistor tivesse parado em .
Início lento
Houve pouco entusiasmo na imprensa popular com o anúncio da invenção do transistor pela Bell Labs. Em 1º de julho de 1948, o The New York Times dedicou três parágrafos ao evento no final de sua reportagem do Radio News. Além disso, esta notícia apareceu depois de outras, obviamente consideradas mais importantes: por exemplo, o programa de rádio de uma hora “Waltz Time”, que deveria aparecer na NBC. Em retrospectiva, podemos querer rir, ou mesmo repreender os autores desconhecidos – como é que eles não conseguiram reconhecer o acontecimento que virou o mundo de cabeça para baixo?
Mas a retrospectiva distorce a percepção, amplificando sinais cujo significado sabemos que se perderam num mar de ruído da época. O transistor de 1948 era muito diferente dos transistores dos computadores nos quais você está lendo este artigo (a menos que você decida imprimi-lo). Eles diferiam tanto que, apesar do mesmo nome e da linha ininterrupta de herança que os conectava, deveriam ser considerados espécies diferentes, se não gêneros diferentes. Têm composições diferentes, estruturas diferentes, princípios de funcionamento diferentes, sem falar na enorme diferença de tamanho. Foi somente através da reinvenção constante que o desajeitado dispositivo construído por Bardeen e Brattain poderia transformar o mundo e as nossas vidas.
Na verdade, o transistor de germânio de ponto único não merecia mais atenção do que recebeu. Tinha vários defeitos herdados do tubo de vácuo. É claro que era muito menor que as lâmpadas mais compactas. A ausência de um filamento quente significava que ele produzia menos calor, consumia menos energia, não queimava e não necessitava de aquecimento antes do uso.
Contudo, o acúmulo de sujeira na superfície de contato levou a falhas e anulou o potencial para uma vida útil mais longa; deu um sinal mais ruidoso; funcionou apenas em baixas potências e em uma faixa de frequência estreita; falhou na presença de calor, frio ou umidade; e não poderia ser produzido uniformemente. Vários transistores criados da mesma maneira pelas mesmas pessoas teriam características elétricas totalmente diferentes. E tudo isto teve um custo oito vezes superior ao de uma lâmpada padrão.
Somente em 1952 é que os Bell Labs (e outros detentores de patentes) resolveram os problemas de fabricação o suficiente para que os transistores de ponto único se tornassem dispositivos práticos, e mesmo assim eles não se espalharam muito além do mercado de aparelhos auditivos, onde a sensibilidade ao preço era relativamente baixa. .e os benefícios em termos de duração da bateria superaram as desvantagens.
Porém, então já haviam começado as primeiras tentativas de transformar o transistor em algo melhor e mais útil. Na verdade, começaram muito antes do momento em que o público soube da sua existência.
As ambições de Shockley
No final de 1947, Bill Shockley fez uma viagem a Chicago muito entusiasmado. Ele tinha ideias vagas sobre como vencer o transistor recentemente inventado por Bardeen e Brattain, mas ainda não tivera a chance de desenvolvê-las. Então, em vez de aproveitar uma pausa entre as etapas do trabalho, ele passou o Natal e o Ano Novo no hotel, preenchendo cerca de 20 páginas de um caderno com suas ideias. Entre eles estava uma proposta para um novo transistor composto por um sanduíche semicondutor – uma fatia de germânio tipo p entre duas peças do tipo n.
Encorajado por este ás na manga, Shockley reivindicou Bardeen e Brattain por seu retorno a Murray Hill, reivindicando todo o crédito pela invenção do transistor. Não foi sua ideia do efeito de campo que levou Bardeen e Brattain ao laboratório? Isso não deveria tornar necessária a transferência de todos os direitos da patente para ele? No entanto, o tiro saiu pela culatra: os advogados de patentes do Bell Labs descobriram que o inventor desconhecido, , patenteou um amplificador de efeito de campo semicondutor quase 20 anos antes, em 1930. Lilienfeld, é claro, nunca implementou sua ideia, dado o estado dos materiais na época, mas o risco de sobreposição era muito grande - era melhor evitar completamente mencionar o efeito de campo na patente.
Assim, embora os Bell Labs tenham dado a Shockley uma generosa parte do crédito do inventor, apenas citaram Bardeen e Brattain na patente. No entanto, o que foi feito não pode ser desfeito: as ambições de Shockley destruíram a sua relação com dois subordinados. Bardeen parou de trabalhar no transistor e concentrou-se na supercondutividade. Ele deixou os laboratórios em 1951. Brattain permaneceu lá, mas recusou-se a trabalhar novamente com Shockley e insistiu em ser transferido para outro grupo.
Devido à sua incapacidade de trabalhar com outras pessoas, Shockley nunca fez nenhum progresso nos laboratórios, então também saiu de lá. Em 1956, ele voltou para casa, em Palo Alto, para abrir sua própria empresa de transistores, a Shockley Semiconductor. Antes de partir, ele se separou de sua esposa Jean enquanto ela se recuperava de um câncer uterino e se envolveu com Emmy Lanning, com quem logo se casou. Mas das duas metades do seu sonho californiano – uma nova empresa e uma nova esposa – apenas uma se tornou realidade. Em 1957, seus melhores engenheiros, irritados com seu estilo de gestão e com a direção que ele estava tomando a empresa, o deixaram para fundar uma nova empresa, a Fairchild Semiconductor.
Shockley em 1956
Assim, Shockley abandonou a estrutura vazia de sua empresa e conseguiu um emprego no departamento de engenharia elétrica de Stanford. Lá ele continuou a alienar seus colegas (e seu amigo mais antigo, o físico ) teorias de degeneração racial que o interessavam e – temas que têm sido impopulares nos Estados Unidos desde o fim da última guerra, especialmente nos círculos académicos. Ele tinha prazer em provocar polêmica, incitar a mídia e provocar protestos. Ele morreu em 1989, afastado de seus filhos e colegas, e visitado apenas por sua sempre devotada segunda esposa, Emmy.
Embora suas fracas tentativas de empreendedorismo tenham falhado, Shockley plantou uma semente em solo fértil. A área da baía de São Francisco produziu muitas pequenas empresas de eletrônicos, que receberam financiamento do governo federal durante a guerra. A Fairchild Semiconductor, descendente acidental de Shockley, gerou dezenas de novas empresas, algumas das quais ainda são conhecidas hoje: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). No início da década de 1970, a área ganhou o apelido irônico de "Vale do Silício". Mas espere um minuto – Bardeen e Brattain criaram o transistor de germânio. De onde veio o silício?
Esta era a aparência do local abandonado em Mountain View, que anteriormente abrigava a Shockley Semiconductor, em 2009. Hoje o prédio foi demolido.
Rumo à encruzilhada do silício
O destino de um novo tipo de transistor, inventado por Shockley em um hotel de 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 físico-químico do Texas que estudou o então inútil germânio em seu doutorado, conseguiu um emprego no Bell Labs na década de 30. Tendo aprendido sobre o transistor, ele se convenceu de que sua confiabilidade e potência poderiam ser significativamente melhoradas criando-o a partir de um único cristal puro, em vez das misturas policristalinas então usadas. Shockley rejeitou seus esforços como um desperdício de recursos.
Porém, Teal persistiu e obteve sucesso, com a ajuda do engenheiro mecânico John Little, criando um dispositivo que extrai uma minúscula semente de cristal do germânio fundido. À medida que o germânio esfriava ao redor do núcleo, ele expandia sua estrutura cristalina, criando uma rede semicondutora contínua e quase pura. Na primavera de 1949, Teal e Little conseguiram criar cristais sob encomenda, e os testes mostraram que eles estavam muito atrás de seus concorrentes policristalinos. Em particular, transportadores menores adicionados a eles poderiam sobreviver no interior por cem microssegundos ou até mais (contra não mais do que dez microssegundos em outras amostras de cristal).
Agora Teal podia pagar mais recursos e recrutou mais pessoas para sua equipe, entre as quais estava outro físico-químico que veio do Texas para o Bell Labs - Morgan Sparks. Eles começaram a alterar o fundido para produzir germânio tipo p ou tipo n, adicionando esferas de impurezas apropriadas. Em um ano, eles melhoraram a tecnologia a tal ponto que puderam cultivar um sanduíche de germânio npn diretamente no fundido. E funcionou exatamente como Shockley previu: um sinal elétrico do material do tipo p modulou a corrente elétrica entre dois condutores conectados às peças do tipo n que o rodeavam.
Morgan Sparks e Gordon Teal em uma bancada no Bell Labs
Este transistor de junção desenvolvido supera seu ancestral de contato de ponto único em quase todos os aspectos. Em particular, era mais confiável e previsível, produzia muito menos ruído (e, portanto, era mais sensível) e era extremamente eficiente em termos energéticos – consumindo um milhão de vezes menos energia do que um tubo de vácuo típico. Em julho de 1951, o Bell Labs realizou outra coletiva de imprensa para anunciar a nova invenção. Mesmo antes de o primeiro transistor chegar ao mercado, ele já havia se tornado essencialmente irrelevante.
E, no entanto, isso foi apenas o começo. Em 1952, a General Electric (GE) anunciou o desenvolvimento de um novo processo para fabricação de transistores de junção, o método de fusão. Na sua estrutura, duas bolas de índio (um doador do tipo p) foram fundidas em ambos os lados de uma fina fatia de germânio do tipo n. Este processo era mais simples e barato do que o cultivo de junções em uma liga; tal transistor dava menos resistência e suportava frequências mais altas.
Transistores crescidos e fundidos
No ano seguinte, Gordon Teal decidiu retornar ao seu estado natal e conseguiu um emprego na Texas Instruments (TI) em Dallas. A empresa foi fundada como Geophysical Services, Inc., e inicialmente produzia equipamentos para exploração de petróleo. A TI abriu uma divisão de eletrônicos durante a guerra e agora estava entrando no mercado de transistores sob licença da Western Electric (a divisão de fabricação da Bell Labs).
Teal trouxe consigo novas habilidades aprendidas nos laboratórios: a capacidade de crescer e monocristais de silício. A fraqueza mais óbvia do germânio era a sua sensibilidade à temperatura. Quando expostos ao calor, os átomos de germânio no cristal rapidamente liberam elétrons livres, e ele se transforma cada vez mais em um condutor. A uma temperatura de 77 °C ele parou de funcionar como um transistor. O principal alvo das vendas de transistores eram os militares - um consumidor potencial com baixa sensibilidade a preços e uma enorme necessidade de componentes eletrônicos estáveis, confiáveis e compactos. Contudo, o germânio sensível à temperatura não seria útil em muitas aplicações militares, especialmente no campo aeroespacial.
O silício era muito mais estável, mas custava um ponto de fusão muito mais elevado, comparável ao do aço. Isso causou enormes dificuldades, visto que eram necessários cristais muito puros para criar transistores de alta qualidade. O silício fundido quente absorveria contaminantes de qualquer cadinho em que estivesse. Teel e sua equipe da TI conseguiram superar esses desafios usando amostras de silício ultrapuro da DuPont. Em maio de 1954, em uma conferência do Instituto de Engenharia de Rádio em Dayton, Ohio, Teal demonstrou que novos dispositivos de silício produzidos em seu laboratório continuavam a funcionar mesmo quando imersos em óleo quente.
Iniciantes de sucesso
Finalmente, cerca de sete anos após a invenção do transistor, ele poderia ser fabricado com o material do qual se tornou sinônimo. E aproximadamente a mesma quantidade de tempo passará antes do aparecimento de transistores que se assemelham aproximadamente ao formato usado em nossos microprocessadores e chips de memória.
Em 1955, os cientistas do Bell Labs aprenderam com sucesso a fabricar transistores de silício com uma nova tecnologia de dopagem - em vez de adicionar bolas sólidas de impurezas a um líquido fundido, eles introduziram aditivos gasosos na superfície sólida do semicondutor (). Controlando cuidadosamente a temperatura, a pressão e a duração do procedimento, eles alcançaram exatamente a profundidade e o grau de dopagem necessários. Maior controle sobre o processo de fabricação proporcionou maior controle sobre as propriedades elétricas do produto final. Mais importante ainda, a difusão térmica tornou possível produzir o produto em lotes – era possível dopar uma grande placa de silício e depois cortá-la em transistores. Os militares forneceram financiamento para os Laboratórios Bell porque o estabelecimento da produção exigia altos custos iniciais. Eles precisavam de um novo produto para um link de radar de alerta precoce de frequência ultra-alta (“"), uma cadeia de estações de radar do Ártico projetadas para detectar bombardeiros soviéticos voando do Pólo Norte, e eles estavam dispostos a desembolsar US$ 100 por transistor (era a época em que um carro novo podia ser comprado por US$ 2000).
Ligando com , que controlava a localização de impurezas, abriu a possibilidade de gravar todo o circuito inteiramente em um substrato semicondutor - isso foi pensado simultaneamente pela Fairchild Semiconductor e pela Texas Instruments em 1959. “" da Fairchild usou a deposição química de filmes metálicos conectando os contatos elétricos do transistor. Eliminou a necessidade de criar fiação manual, reduziu os custos de produção e aumentou a confiabilidade.
Finalmente, em 1960, dois engenheiros do Bell Labs (John Atalla e Davon Kahn) implementaram o conceito original de Shockley para um transistor de efeito de campo. Uma fina camada de óxido na superfície do semicondutor foi capaz de suprimir efetivamente os estados da superfície, fazendo com que o campo elétrico da porta de alumínio penetrasse no silício. Assim nasceu o MOSFET [transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico] (ou estrutura MOS, de semicondutor de óxido metálico), que se revelou tão fácil de miniaturizar e que ainda é usado em quase todos os computadores modernos (curiosamente , Atalla é do Egito e Kang é da Coreia do Sul, e praticamente só esses dois engenheiros de toda a nossa história não têm raízes europeias).
Finalmente, treze anos após a invenção do primeiro transistor, apareceu algo parecido com o transistor do seu computador. Era mais fácil de fabricar e consumia menos energia que o transistor de junção, mas era bastante lento para responder aos sinais. Foi somente com a proliferação de circuitos integrados de grande escala, com centenas ou milhares de componentes localizados em um único chip, que as vantagens dos transistores de efeito de campo vieram à tona.
Ilustração da patente do transistor de efeito de campo
O efeito de campo foi a última grande contribuição do Bell Labs para o desenvolvimento do transistor. Os principais fabricantes de eletrônicos, como Bell Laboratories (com sua Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse, acumularam uma quantidade impressionante de pesquisas em semicondutores. De 1952 a 1965, só os Laboratórios Bell registaram mais de duzentas patentes sobre este tema. No entanto, o mercado comercial rapidamente caiu nas mãos de novos participantes, como Texas Instruments, Transitron e Fairchild.
O mercado inicial de transistores era pequeno demais para atrair a atenção dos principais players: cerca de US$ 18 milhões por ano em meados da década de 1950, em comparação com um mercado total de eletrônicos de US$ 2 bilhões. No entanto, os laboratórios de pesquisa desses gigantes serviram como campos de treinamento inadvertidos. onde jovens cientistas poderiam absorver conhecimentos sobre semicondutores antes de venderem os seus serviços a empresas mais pequenas. Quando o mercado de eletrônicos valvulados começou a encolher seriamente em meados da década de 1960, era tarde demais para a Bell Labs, a Westinghouse e os demais competirem com os iniciantes.
A transição dos computadores para transistores
Na década de 1950, os transistores invadiram o mundo da eletrônica em quatro áreas principais. Os dois primeiros foram aparelhos auditivos e rádios portáteis, onde o baixo consumo de energia e a longa duração da bateria se sobrepunham a outras considerações. O terceiro foi o uso militar. O Exército dos EUA tinha grandes esperanças nos transistores como componentes compactos e confiáveis que poderiam ser usados em tudo, desde rádios de campo até mísseis balísticos. No entanto, nos primeiros dias, os seus gastos em transístores pareciam mais uma aposta no futuro da tecnologia do que uma confirmação do seu valor então. E, finalmente, havia também a computação digital.
No campo da informática, as deficiências dos interruptores de tubo de vácuo eram bem conhecidas, e alguns céticos antes da guerra até acreditavam que um computador eletrônico não poderia se tornar um dispositivo prático. Quando milhares de lâmpadas foram reunidas em um dispositivo, elas consumiram eletricidade, produzindo enormes quantidades de calor e, em termos de confiabilidade, só se podia confiar em seu desgaste regular. Portanto, o transistor de baixo consumo, frio e sem rosca tornou-se o salvador dos fabricantes de computadores. Suas desvantagens como amplificador (saída mais ruidosa, por exemplo) não eram um problema tão grande quando usado como switch. O único obstáculo era o custo e, no devido tempo, começaria a cair drasticamente.
Todas as primeiras experiências americanas com computadores transistorizados ocorreram na intersecção do desejo dos militares de explorar o potencial de uma nova tecnologia promissora e do desejo dos engenheiros de migrar para interruptores melhorados.
Bell Labs construiu o TRADIC para a Força Aérea dos EUA em 1954 para ver se os transistores permitiriam a instalação de um computador digital a bordo de um bombardeiro, substituindo a navegação analógica e auxiliando na localização 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 usava outra variante do transistor de barreira de superfície, adequado para computação de alta velocidade. A Philco construiu seu computador SOLO sob contrato com a Marinha (mas na verdade a pedido da NSA), finalizando-o em 1958 (usando outra variante do transistor de barreira de superfície).
Na Europa Ocidental, menos dotada de recursos durante a Guerra Fria, a história foi muito diferente. Máquinas como o Manchester Transistor Computer, (outro nome inspirado no projeto ENIAC, e escrito ao contrário), e austríaco foram projetos paralelos que usaram os recursos que seus criadores conseguiram reunir - incluindo transistores de ponto único de primeira geração.
Há muita controvérsia sobre o título do primeiro computador a usar transistores. Tudo se resume, é claro, à escolha das definições corretas para palavras como “primeiro”, “transistor” e “computador”. De qualquer forma, sabemos onde a história termina. A comercialização de computadores transistorizados começou quase imediatamente. Ano após ano, computadores pelo mesmo preço tornaram-se mais potentes e computadores com a mesma potência tornaram-se mais baratos, e este processo parecia tão inexorável que foi elevado à categoria de lei, ao lado da gravidade e da conservação de energia. Precisamos discutir sobre qual pedra foi a primeira a desabar?
De onde vem a lei de Moore?
À medida que nos aproximamos do final da história da mudança, vale a pena perguntar: o que causou esse colapso? Por que a lei de Moore existe (ou existiu - discutiremos isso em outra ocasião)? Não existe uma lei de Moore para aviões ou aspiradores de pó, assim como não existe uma lei para tubos de vácuo ou relés.
A resposta tem duas partes:
- Propriedades lógicas de um switch como categoria de artefato.
- A capacidade de usar processos puramente químicos para fabricar transistores.
Primeiro, sobre a essência da mudança. As propriedades da maioria dos artefatos devem satisfazer uma ampla gama de restrições físicas implacáveis. Uma aeronave de passageiros deve suportar o peso combinado de muitas pessoas. Um aspirador de pó deve ser capaz de sugar uma certa quantidade de sujeira em um determinado momento de uma determinada área física. Aviões e aspiradores seriam inúteis se fossem reduzidos à nanoescala.
Um interruptor, um interruptor automático que nunca foi tocado por uma mão humana, tem muito menos limitações físicas. Ele deve ter dois estados diferentes e deve ser capaz de se comunicar com outros switches semelhantes quando seus estados mudarem. Ou seja, tudo o que ele deve poder fazer é ligar e desligar. O que há de tão especial nos transistores? Por que outros tipos de switches digitais não experimentaram melhorias tão exponenciais?
Aqui chegamos ao segundo fato. Os transistores podem ser fabricados por meio de processos químicos sem intervenção mecânica. Desde o início, um elemento-chave da produção de transistores foi o uso de impurezas químicas. Depois veio o processo planar, que eliminou a última etapa mecânica da produção – a fixação dos fios. Como resultado, ele se livrou da última limitação física da miniaturização. Os transistores não precisavam mais ser grandes o suficiente para caber nos dedos humanos – ou em qualquer dispositivo mecânico. Tudo foi feito por meio de química simples, em uma escala inimaginavelmente pequena: ácido para gravar, luz para controlar quais partes da superfície resistiriam ao ataque e vapor para introduzir impurezas e películas metálicas nas trilhas gravadas.
Por que a miniaturização é necessária? A redução do tamanho proporcionou uma galáxia inteira de efeitos colaterais agradáveis: aumento da velocidade de comutação, redução do consumo de energia e do custo de cópias individuais. Estes incentivos poderosos levaram todos a procurar formas de reduzir ainda mais as mudanças. E a indústria de semicondutores deixou de fabricar interruptores do tamanho de uma unha e passou a embalar dezenas de milhões de interruptores por milímetro quadrado durante a vida de um homem. Desde pedir oito dólares por um switch até oferecer vinte milhões de switches por um dólar.
Chip de memória Intel 1103 de 1971. Transistores individuais, com tamanho de apenas dezenas de micrômetros, não são mais visíveis a olho nu. E desde então diminuíram mais mil vezes.
O que mais ler:
- Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolução em Miniatura (1978)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Fogo de Cristal (1997)
- Joel Shurkin, Gênio Quebrado (1997)
Fonte: habr.com