Alte articole din serie:
- Istoria ștafetei
- Istoria calculatoarelor electronice
- Istoria tranzistorului
- Istoricul internetului
De peste o sută de ani, câinele analogic a dat din coada digitală. Încercările de a extinde capacitățile simțurilor noastre - viziunea, auzul și chiar, într-un fel, atingerea - i-au determinat pe ingineri și oameni de știință să caute componente mai bune pentru telegrafe, telefoane, radiouri și radare. Numai prin pură noroc, această căutare a descoperit calea spre crearea de noi tipuri de mașini digitale. Și am decis să spun povestea acestei constante , timp în care inginerii de telecomunicații au furnizat materiile prime pentru primele calculatoare digitale și uneori chiar au proiectat și construit acele computere ei înșiși.
Dar prin anii 1960, această colaborare fructuoasă a luat sfârșit și, odată cu ea, povestea mea. Producătorii de echipamente digitale nu mai trebuiau să caute în lumea telegrafului, telefonului și radioului comutatoare noi și îmbunătățite, deoarece tranzistorul însuși a oferit o sursă inepuizabilă de îmbunătățiri. An de an au săpat din ce în ce mai adânc, găsind mereu modalități de a crește exponențial viteza și de a reduce costurile.
Cu toate acestea, nimic din toate acestea nu s-ar fi întâmplat dacă invenția tranzistorului s-ar fi oprit la .
Start lent
A existat puțin entuziasm în presa populară pentru anunțul Bell Labs despre invenția tranzistorului. La 1 iulie 1948, The New York Times a dedicat trei paragrafe evenimentului în partea de jos a raportului său Radio News. Mai mult, această știre a apărut după altele, considerate evident mai importante: de exemplu, emisiunea radio de o oră „Waltz Time”, care trebuia să apară pe NBC. În retrospectivă, s-ar putea să vrem să râdem sau chiar să-i certam pe autorii necunoscuți - cum nu au reușit să recunoască evenimentul care a dat lumea peste cap?
Dar retrospectia distorsionează percepția, amplificând semnalele a căror semnificație știm că s-au pierdut într-o mare de zgomot la acea vreme. Tranzistorul din 1948 era foarte diferit de tranzistoarele computerelor pe care citiți acest articol (cu excepția cazului în care v-ați decis să-l imprimați). Ele diferă atât de mult încât, în ciuda aceluiași nume și a liniei neîntrerupte de moștenire care le leagă, ar trebui considerate specii diferite, dacă nu genuri diferite. Au compoziții diferite, structuri diferite, principii de funcționare diferite, ca să nu mai vorbim de diferența uriașă de mărime. Doar printr-o reinventare constantă, dispozitivul stângaci construit de Bardeen și Brattain a putut transforma lumea și viețile noastre.
De fapt, tranzistorul cu germaniu cu un singur punct nu merita mai multă atenție decât a primit. Avea mai multe defecte moștenite de la tubul vidat. Era, desigur, mult mai mic decât cele mai compacte lămpi. Absența unui filament fierbinte a însemnat că producea mai puțină căldură, consuma mai puțină energie, nu se ardea și nu necesita încălzire înainte de utilizare.
Cu toate acestea, acumularea de murdărie pe suprafața de contact a dus la defecțiuni și a anulat potențialul de viață mai lungă; a dat un semnal mai zgomotos; a lucrat numai la puteri mici și într-un interval de frecvență îngust; a eșuat în prezența căldurii, frigului sau umidității; și nu a putut fi produs uniform. Mai multe tranzistoare create în același mod de aceiași oameni ar avea caracteristici electrice extrem de diferite. Și toate acestea au avut un cost de opt ori mai mare decât al unei lămpi standard.
Abia în 1952, Bell Labs (și alți deținători de brevete) au rezolvat suficient problemele de fabricație pentru ca tranzistoarele cu un singur punct să devină dispozitive practice și, chiar și atunci, nu s-au răspândit cu mult dincolo de piața aparatelor auditive, unde sensibilitatea la prețuri era relativ scăzută. . iar beneficiile în ceea ce privește durata de viață a bateriei au depășit dezavantajele.
Cu toate acestea, atunci au început deja primele încercări de a transforma tranzistorul în ceva mai bun și mai util. Ele au început de fapt mult mai devreme decât momentul în care publicul a aflat de existența sa.
Ambițiile lui Shockley
Spre sfârșitul anului 1947, Bill Shockley a făcut o excursie la Chicago cu mare entuziasm. Avea idei vagi despre cum să învingă tranzistorul recent inventat de Bardeen și Brattain, dar nu avusese încă șansa să le dezvolte. Așa că, în loc să se bucure de o pauză între etapele muncii, a petrecut Crăciunul și Anul Nou la hotel, umplând aproximativ 20 de pagini dintr-un caiet cu ideile sale. Printre acestea a fost o propunere pentru un nou tranzistor constând dintr-un sandwich semiconductor - o felie de germaniu de tip p între două bucăți de tip n.
Încurajat de acest as în mânecă, Shockley a revendicat lui Bardeen și Brattain întoarcerea la Murray Hill, pretinzând tot meritul pentru inventarea tranzistorului. Nu a fost ideea lui despre efectul de câmp care i-a adus pe Bardeen și Brattain în laborator? Nu ar trebui acest lucru să facă necesară transferul tuturor drepturilor asupra brevetului către el? Cu toate acestea, trucul lui Shockley a dat înapoi: avocații de brevete Bell Labs au aflat că inventatorul necunoscut, , a patentat un amplificator cu efect de câmp cu semiconductor cu aproape 20 de ani mai devreme, în 1930. Lilienfeld, desigur, nu și-a implementat niciodată ideea, având în vedere starea materialelor la acea vreme, dar riscul de suprapunere era prea mare - era mai bine să evităm complet menționarea efectul de câmp în brevet.
Deci, deși Bell Labs i-a oferit lui Shockley o parte generoasă din creditul inventatorului, ei i-au numit doar pe Bardeen și Brattain în brevet. Totuși, ceea ce s-a făcut nu poate fi anulat: ambițiile lui Shockley i-au distrus relația cu doi subalterni. Bardeen a încetat să lucreze la tranzistor și s-a concentrat pe supraconductivitate. A părăsit laboratoarele în 1951. Brattain a rămas acolo, dar a refuzat să lucreze din nou cu Shockley și a insistat să fie transferat într-un alt grup.
Din cauza incapacității sale de a lucra cu alți oameni, Shockley nu a făcut niciodată progrese în laboratoare, așa că a plecat și de acolo. În 1956, s-a întors acasă la Palo Alto pentru a-și înființa propria companie de tranzistori, Shockley Semiconductor. Înainte de a pleca, s-a despărțit de soția sa Jean, în timp ce aceasta se recupera de cancer uterin, și s-a implicat cu Emmy Lanning, cu care s-a căsătorit curând. Dar dintre cele două jumătăți ale visului său californian - o nouă companie și o nouă soție - doar una s-a împlinit. În 1957, cei mai buni ingineri ai săi, supărați de stilul său de conducere și de direcția în care a condus compania, l-au părăsit pentru a fonda o nouă companie, Fairchild Semiconductor.
Shockley în 1956
Așa că Shockley a abandonat carcasa goală a companiei sale și și-a luat un loc de muncă în departamentul de inginerie electrică de la Stanford. Acolo a continuat să-și înstrăineze colegii (și cel mai vechi prieten al său, fizicianul ) teorii ale degenerării rasiale care l-au interesat şi – subiecte care au fost nepopulare în Statele Unite de la sfârșitul ultimului război, mai ales în cercurile academice. Îi făcea plăcere să stârnească controverse, să trezească mass-media și să provoace proteste. A murit în 1989, înstrăinat de copiii și colegii săi și vizitat doar de cea de-a doua soție devotată, Emmy.
Deși slabele sale încercări de antreprenoriat au eșuat, Shockley plantase o sămânță în pământ rodnic. Zona Golfului San Francisco a produs multe firme de electronice mici, care au fost eliminate cu finanțare de la guvernul federal în timpul războiului. Fairchild Semiconductor, urmașul accidental al lui Shockley, a dat naștere zeci de noi companii, dintre care câteva sunt cunoscute și astăzi: Intel și Advanced Micro Devices (AMD). La începutul anilor 1970, zona și-a câștigat porecla batjocoritoare de „Silicon Valley”. Dar stați puțin - Bardeen și Brattain au creat tranzistorul cu germaniu. De unde a venit siliciul?
Așa arăta site-ul abandonat Mountain View, care a găzduit anterior Shockley Semiconductor, în 2009. Astăzi clădirea a fost demolată.
Spre Rcruciul Siliciului
Soarta unui nou tip de tranzistor, inventat de Shockley într-un hotel din Chicago, a fost mult mai fericită decât cea a inventatorului său. Totul se datorează dorinței unui om de a crește cristale semiconductoare simple, pure. Gordon Teal, un chimist fizician din Texas, care studiase germaniul pe atunci inutil pentru doctorat, și-a luat un loc de muncă la Bell Labs în anii 30. După ce a aflat despre tranzistor, a devenit convins că fiabilitatea și puterea acestuia ar putea fi îmbunătățite semnificativ prin crearea acestuia dintr-un singur cristal pur, mai degrabă decât din amestecurile policristaline folosite atunci. Shockley și-a respins eforturile ca pe o risipă de resurse.
Cu toate acestea, Teal a persistat și a obținut succesul, cu ajutorul inginerului mecanic John Little, creând un dispozitiv care extrage o sămânță minusculă de cristal din germaniul topit. Pe măsură ce germaniul s-a răcit în jurul nucleului, acesta și-a extins structura cristalină, creând o rețea semiconductoare continuă și aproape pură. Până în primăvara anului 1949, Teal și Little au putut crea cristale la comandă, iar testele au arătat că erau cu mult în urma concurenților lor policristalini. În special, transportoare minore adăugate acestora ar putea supraviețui în interior timp de o sută de microsecunde sau chiar mai mult (față de cel mult zece microsecunde în alte mostre de cristale).
Acum, Teal își putea permite mai multe resurse și a recrutat mai mulți oameni în echipa sa, printre care se număra și un alt chimist care a venit la Bell Labs din Texas - Morgan Sparks. Ei au început să modifice topitura pentru a face germaniu de tip p sau de tip n prin adăugarea de mărgele de impurități adecvate. În decurs de un an, au îmbunătățit tehnologia într-o asemenea măsură încât au putut crește un sandwich cu germaniu npn direct în topitură. Și a funcționat exact așa cum a prezis Shockley: un semnal electric de la materialul de tip p a modulat curentul electric dintre doi conductori conectați la piesele de tip n care îl înconjoară.
Morgan Sparks și Gordon Teal la un banc de lucru de la Bell Labs
Acest tranzistor de joncțiune crescut depășește strămoșul său de contact cu un singur punct în aproape toate felurile. În special, era mai fiabil și previzibil, producea mult mai puțin zgomot (și, prin urmare, era mai sensibil) și era extrem de eficient din punct de vedere energetic - consumând de un milion de ori mai puțină energie decât un tub cu vid obișnuit. În iulie 1951, Bell Labs a ținut o altă conferință de presă pentru a anunța noua invenție. Chiar înainte ca primul tranzistor să reușească să ajungă pe piață, acesta devenise deja esențial irelevant.
Și totuși acesta a fost doar începutul. În 1952, General Electric (GE) a anunțat dezvoltarea unui nou proces de fabricare a tranzistoarelor de joncțiune, metoda fuziunii. În cadrul său, două bile de indiu (donator de tip p) au fost topite pe ambele părți ale unei felii subțiri de germaniu de tip n. Acest proces a fost mai simplu și mai ieftin decât joncțiunile în creștere într-un aliaj; un astfel de tranzistor a oferit mai puțină rezistență și a suportat frecvențe mai mari.
Tranzistoare dezvoltate și topite
În anul următor, Gordon Teal a decis să se întoarcă în statul său natal și a luat un loc de muncă la Texas Instruments (TI) din Dallas. Compania a fost fondată sub numele de Geophysical Services, Inc. și a produs inițial echipamente pentru explorarea petrolului, TI deschisese o divizie de electronice în timpul războiului, iar acum intra pe piața tranzistorilor sub licență de la Western Electric (divizia de producție a Bell Labs).
Teal a adus cu el noi abilități învățate în laboratoare: capacitatea de a crește și monocristale de siliciu. Cea mai evidentă slăbiciune a germaniului a fost sensibilitatea acestuia la temperatură. Când sunt expuși la căldură, atomii de germaniu din cristal elimină rapid electroni liberi și s-au transformat din ce în ce mai mult într-un conductor. La o temperatură de 77 °C a încetat să mai funcționeze ca un tranzistor. Ținta principală pentru vânzările de tranzistori a fost armata - un potențial consumator cu sensibilitate la prețuri scăzute și o nevoie uriașă de componente electronice stabile, fiabile și compacte. Cu toate acestea, germaniul sensibil la temperatură nu ar fi util în multe aplicații militare, în special în domeniul aerospațial.
Siliciul a fost mult mai stabil, dar a venit cu prețul unui punct de topire mult mai mare, comparabil cu cel al oțelului. Acest lucru a cauzat dificultăți enorme, având în vedere că erau necesare cristale foarte pure pentru a crea tranzistori de înaltă calitate. Siliciul topit fierbinte ar absorbi contaminanții din orice creuzet în care se afla. Teel și echipa sa de la TI au reușit să depășească aceste provocări folosind mostre de siliciu ultra-pur de la DuPont. În mai 1954, la o conferință a Institutului de Inginerie Radio din Dayton, Ohio, Teal a demonstrat că noile dispozitive de siliciu produse în laboratorul său au continuat să funcționeze chiar și atunci când sunt scufundate în ulei fierbinte.
Parveniți de succes
În cele din urmă, la aproximativ șapte ani după ce tranzistorul a fost inventat pentru prima dată, acesta a putut fi făcut din materialul cu care devenise sinonim. Și cam aceeași perioadă de timp va trece până la apariția tranzistorilor care seamănă aproximativ cu forma folosită în microprocesoarele și cipurile noastre de memorie.
În 1955, oamenii de știință de la Bell Labs au învățat cu succes să producă tranzistoare de siliciu cu o nouă tehnologie de dopaj - în loc să adauge bile solide de impurități la o topitură lichidă, au introdus aditivi gazoși în suprafața solidă a semiconductorului (). Controlând cu atenție temperatura, presiunea și durata procedurii, au atins exact adâncimea și gradul de dopaj necesare. Un control mai mare asupra procesului de fabricație a oferit un control mai mare asupra proprietăților electrice ale produsului final. Mai important, difuzia termică a făcut posibilă producerea produsului în loturi - ai putea dopa o placă mare de siliciu și apoi a-l tăia în tranzistori. Armata a oferit finanțare pentru Laboratoarele Bell, deoarece stabilirea producției a necesitat costuri inițiale mari. Aveau nevoie de un produs nou pentru o legătură radar de avertizare timpurie cu frecvență ultra-înaltă („"), un lanț de stații radar arctice concepute pentru a detecta bombardierele sovietice care zboară de la Polul Nord și erau dispuși să plătească 100 de dolari per tranzistor (acestea erau zilele în care o mașină nouă putea fi cumpărată cu 2000 de dolari).
Aliere cu , care controla localizarea impurităților, a deschis posibilitatea gravării întregului circuit pe un singur substrat semiconductor - acest lucru a fost gândit simultan de Fairchild Semiconductor și Texas Instruments în 1959. „„ de la Fairchild a folosit depunerea chimică a foliilor metalice care conectează contactele electrice ale tranzistorului. A eliminat necesitatea creării de cablare manuală, a redus costurile de producție și a crescut fiabilitatea.
În cele din urmă, în 1960, doi ingineri Bell Labs (John Atalla și Davon Kahn) au implementat conceptul original al lui Shockley pentru un tranzistor cu efect de câmp. Un strat subțire de oxid de pe suprafața semiconductorului a reușit să suprime în mod eficient stările de suprafață, făcând ca câmpul electric de la poarta de aluminiu să pătrundă în siliciu. Astfel a luat naștere MOSFET-ul [tranzistor cu efect de câmp cu semiconductor metal-oxid] (sau structură MOS, din metal-oxid-semiconductor), care s-a dovedit a fi atât de ușor de miniaturizat și care este încă folosit în aproape toate computerele moderne (interesant , Atalla vine din Egipt, iar Kang este din Coreea de Sud, iar practic doar acești doi ingineri din toată istoria noastră nu au rădăcini europene).
În cele din urmă, la treisprezece ani de la inventarea primului tranzistor, a apărut ceva asemănător cu tranzistorul din computerul tău. A fost mai ușor de fabricat și a folosit mai puțină putere decât tranzistorul de joncțiune, dar a răspuns destul de lent la semnale. Abia odată cu proliferarea circuitelor integrate la scară largă, cu sute sau mii de componente situate pe un singur cip, avantajele tranzistoarelor cu efect de câmp au ieșit în prim-plan.
Ilustrație din brevetul tranzistorului cu efect de câmp
Efectul de câmp a fost ultima contribuție majoră a Bell Labs la dezvoltarea tranzistorului. Marii producători de electronice precum Bell Laboratories (cu Western Electric), General Electric, Sylvania și Westinghouse au acumulat o cantitate impresionantă de cercetare a semiconductoarelor. Din 1952 până în 1965, numai Laboratoarele Bell au înregistrat peste două sute de brevete pe această temă. Cu toate acestea, piața comercială a căzut rapid în mâinile unor jucători noi precum Texas Instruments, Transitron și Fairchild.
Piața timpurie a tranzistorilor era prea mică pentru a atrage atenția jucătorilor importanți: aproximativ 18 milioane de dolari pe an la mijlocul anilor 1950, în comparație cu o piață totală de electronice de 2 miliarde de dolari.Totuși, laboratoarele de cercetare ale acestor giganți au servit drept tabere de antrenament involuntare. unde tinerii oameni de știință ar putea absorbi cunoștințele despre semiconductori înainte de a trece la vânzarea serviciilor către firme mai mici. Când piața de electronice cu tuburi a început să se micșoreze serios la mijlocul anilor 1960, era prea târziu pentru ca Bell Labs, Westinghouse și restul să concureze cu parveniți.
Trecerea computerelor la tranzistori
În anii 1950, tranzistorii au invadat lumea electronică în patru mari domenii. Primele două au fost aparate auditive și radiouri portabile, unde consumul redus de energie și durata de viață lungă a bateriei au depășit alte considerente. Al treilea a fost utilizarea militară. Armata SUA avea mari speranțe în tranzistori ca componente fiabile, compacte, care ar putea fi folosite în orice, de la radiouri de câmp până la rachete balistice. Cu toate acestea, în primele zile, cheltuielile lor pentru tranzistori păreau mai degrabă un pariu pe viitorul tehnologiei decât o confirmare a valorii lor de atunci. Și, în sfârșit, a existat și computerul digital.
În domeniul computerelor, deficiențele întrerupătoarelor cu tub vidat erau bine cunoscute, unii sceptici înainte de război chiar credeau că un computer electronic nu poate fi făcut un dispozitiv practic. Când mii de lămpi au fost colectate într-un singur dispozitiv, acestea consumau energie electrică, producând cantități enorme de căldură și, în ceea ce privește fiabilitatea, ne puteam baza doar pe epuizarea lor obișnuită. Prin urmare, tranzistorul de putere redusă, rece și fără fir a devenit salvatorul producătorilor de computere. Dezavantajele sale ca amplificator (ieșire mai zgomotoasă, de exemplu) nu au fost o astfel de problemă atunci când a fost folosit ca comutator. Singurul obstacol era costul și, în timp util, acesta va începe să scadă brusc.
Toate experimentele americane timpurii cu computere cu tranzistori au avut loc la intersecția dintre dorința armatei de a explora potențialul unei noi tehnologii promițătoare și dorința inginerilor de a trece la comutatoare îmbunătățite.
Bell Labs a construit TRADIC pentru U.S. Air Force în 1954 pentru a vedea dacă tranzistorii ar permite instalarea unui computer digital la bordul unui bombardier, înlocuind navigația analogică și ajutând la găsirea țintelor. Laboratorul MIT Lincoln a dezvoltat computerul TX-0 ca parte a unui proiect extins de apărare aeriană în 1956. Aparatul a folosit o altă variantă a tranzistorului de barieră de suprafață, potrivită pentru calculul de mare viteză. Philco și-a construit computerul SOLO în baza unui contract cu Marina (dar de fapt la cererea NSA), terminându-l în 1958 (folosind o altă variantă a tranzistorului de barieră de suprafață).
În Europa de Vest, mai puțin înzestrată cu resurse în timpul Războiului Rece, povestea era foarte diferită. Mașini precum computerul cu tranzistori Manchester, (un alt nume inspirat din proiectul ENIAC și scris invers) și austriac au fost proiecte secundare care au folosit resursele pe care creatorii lor le-au putut reuni — inclusiv tranzistori cu un singur punct de prima generație.
Există multe controverse cu privire la titlul primului computer care a folosit tranzistori. Totul se reduce, desigur, la alegerea definițiilor potrivite pentru cuvinte precum „primul”, „tranzistor” și „calculator”. În orice caz, știm unde se termină povestea. Comercializarea computerelor cu tranzistori a început aproape imediat. An de an, calculatoarele la același preț au devenit din ce în ce mai puternice, iar computerele de aceeași putere s-au ieftinit, iar acest proces părea atât de inexorabil încât a fost ridicat la rang de lege, alături de gravitație și de conservarea energiei. Trebuie să ne certăm despre care pietricică a fost prima care s-a prăbușit?
De unde vine legea lui Moore?
Pe măsură ce ne apropiem de sfârșitul poveștii comutatorului, merită să ne întrebăm: ce a cauzat acest colaps? De ce există legea lui Moore (sau a existat - vom discuta despre asta altă dată)? Nu există nicio lege a lui Moore pentru avioane sau aspiratoare, la fel cum nu există nimeni pentru tuburile de vid sau relee.
Răspunsul are două părți:
- Proprietățile logice ale unui comutator ca categorie de artefact.
- Capacitatea de a utiliza procese pur chimice pentru a face tranzistori.
În primul rând, despre esența comutatorului. Proprietățile majorității artefactelor trebuie să satisfacă o gamă largă de constrângeri fizice neiertătoare. O aeronavă de pasageri trebuie să suporte greutatea combinată a multor persoane. Un aspirator trebuie să poată aspira o anumită cantitate de murdărie într-un anumit timp dintr-o anumită zonă fizică. Avioanele și aspiratoarele ar fi inutile dacă ar fi reduse la scară nanometrică.
Un comutator, un comutator automat care nu a fost niciodată atins de o mână umană, are mult mai puține limitări fizice. Trebuie să aibă două stări diferite și trebuie să poată comunica cu alte comutatoare similare atunci când stările acestora se schimbă. Adică, tot ce ar trebui să poată face este să pornească și să se oprească. Ce este atât de special la tranzistori? De ce alte tipuri de comutatoare digitale nu au cunoscut astfel de îmbunătățiri exponențiale?
Aici ajungem la al doilea fapt. Tranzistoarele pot fi realizate folosind procese chimice fără intervenție mecanică. Încă de la început, un element cheie al producției de tranzistori a fost utilizarea impurităților chimice. Apoi a urmat procesul planar, care a eliminat ultimul pas mecanic din producție - atașarea firelor. Drept urmare, a scăpat de ultima limitare fizică a miniaturizării. Tranzistorii nu mai trebuiau să fie suficient de mari pentru degetele umane sau orice dispozitiv mecanic. Totul a fost realizat prin chimie simplă, la o scară inimaginabil de mică: acid pentru a grava, lumină pentru a controla ce părți ale suprafeței ar rezista la gravare și vapori pentru a introduce impurități și pelicule metalice în pistele gravate.
De ce este necesară miniaturizarea? Reducerea dimensiunii a dat o întreagă galaxie de efecte secundare plăcute: creșterea vitezei de comutare, reducerea consumului de energie și costul copiilor individuale. Aceste stimulente puternice i-au determinat pe toată lumea să caute modalități de a reduce în continuare comutatoarele. Iar industria semiconductoarelor a trecut de la realizarea de comutatoare de dimensiunea unei unghii la ambalarea a zeci de milioane de comutatoare pe milimetru pătrat pe durata de viață a unui om. De la a cere opt dolari pentru un comutator până la a oferi douăzeci de milioane de comutatoare pentru un dolar.
Cipul de memorie Intel 1103 din 1971. Tranzistoarele individuale, de doar zeci de micrometri în dimensiune, nu mai sunt vizibile pentru ochi. Și de atunci au mai scăzut de încă o mie de ori.
Ce altceva de citit:
- Ernest Bruan și Stuart MacDonald, Revoluție în miniatură (1978)
- Michael Riordan și Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Geniu spart (1997)
Sursa: www.habr.com