Alte articole din ciclu:
- Istoria releului
- Istoria calculatoarelor electronice
- Istoria tranzistorului
- Istoria internetului
De mai bine de o sută de ani, câinele analogic a bâzâit coada digitală. Încercările de a extinde capacitățile simțurilor noastre – vedere, auz și chiar, într-un anumit sens, simțul tactil – i-au condus pe ingineri și oameni de știință în căutarea celor mai bune componente pentru telegraf, telefon, radio și radare. Numai printr-o fericită întâmplare aceste căutări au descoperit drumul către crearea unor noi tipuri de mașini digitale. Și am decis să povestesc istoria acestei constante , timp în care inginerii de telecomunicații furnizau materiale de bază pentru primele computere digitale, iar uneori chiar proiectau și construiau aceste computere.
Dar până în anii 1960 această colaborare fructuoasă a ajuns la sfârșit, împreună cu povestea mea. Producătorii de echipamente digitale nu mai aveau nevoie să se uite în lumea telegrafiei, telefoniei și radio-ului în căutarea unor comutatoare noi și îmbunătățite, deoarece transistorul însuși oferea o sursă inepuizabilă de îmbunătățiri. An de an, ei săpau tot 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 transistorului s-ar fi oprit la .
Întârzierea lentă
În presa populară nu s-a observat un entuziasm activ în legătură cu anunțul laboratoarelor Bell despre invenția transistorului. Pe 1 iulie 1948, The New York Times a dedicat acestei eveniment trei paragrafe la sfârșitul rezumatului "Știrile radio". Această veste a apărut, de altfel, după altele, evident considerate mai importante: de exemplu, un program radiofolcloric "Timpul valsului", care urma să apară pe NBC. Privind înapoi, poate dorim să râdem, sau chiar să-i criticăm pe autorii necunoscuți – cum au putut să nu recunoască un eveniment care a schimbat lumea?
Însă privirea în trecut distorsionează percepția, amplificând acele semnale a căror importanță ne este cunoscută, deși, în acel moment, ele se pierdeau în marea de zgomot. Transistorul din 1948 se deosebea semnificativ de transistoarele computerelor, pe unul dintre care citiți acest articol (dacă nu ați decis să-l imprimați). Se deosebeau atât de mult încât, în ciuda aceleași denumiri și a continuității liniei ereditare care le leagă, trebuie considerate specii diferite, dacă nu chiar genuri diferite. Aveau compoziții diferite, structuri diferite, principii de funcționare diferite, fără a mai vorbi despre diferențele enorme de dimensiuni. Numai datorită reinvențiilor constante, dispozitivul stângaci construit de Bardin și Brattain a reușit să transforme lumea și viața noastră.
În realitate, transistorul de germaniu cu un singur punct de contact nu merita mai multă atenție decât a primit. Avea câteva defecte moștenite de la lampa electronică. Desigur, era mult mai mic decât cele mai compacte tuburi. Absența filamentului incandescent însemna că genera mai puțină căldură, consuma mai puțină energie, nu se ardea și nu necesita preîncălzire înainte de utilizare.
Cu toate acestea, acumularea de murdărie pe suprafața de contact conducea la defecțiuni și anula potențialul pentru o durată de viață mai lungă; producea un semnal mai zgomotos; funcționa doar la puteri reduse și într-o bandă îngustă de frecvențe; se defecta în condiții de căldură, frig sau umiditate; și nu putea fi produs uniform. Câteva transistoare fabricate în același mod de aceleași persoane ar avea caracteristici electrice extrem de diferite. Și toate acestea se însoțeau de un cost de opt ori mai mare decât al unei lămpi standard.
Numai în 1952 laboratoarele Bell (și alții deținători ai patentului) au rezolvat problemele de producție suficiente pentru ca transistoarele cu un singur punct de contact să devină dispozitive practice, și chiar și atunci nu s-au răspândit semnificativ mai departe de piața aparatelor auditive, unde sensibilitatea la prețuri era relativ scăzută, iar avantajele legate de durata de funcționare a bateriei depășeau dezavantajele.
Însă atunci au început primele încercări de a transforma tranzistorul într-un ceva mai bun și mai util. Aceste încercări, de fapt, au început mult înainte ca publicul să afle despre existența sa.
Ambițiile lui Shockley
Până la sfârșitul anului 1947, Bill Shockley, plin de entuziasm, a întreprins o călătorie la Chicago. Avea idei vagi despre cum să depășească tranzistorul recent inventat de Bardeen și Brattain, dar nu a avut încă ocazia să le dezvolte. Așadar, în loc să se bucure de o pauză între etapele lucrării, a petrecut Crăciunul și Anul Nou într-un hotel, umplând aproximativ 20 de pagini dintr-un caiet cu ideile sale. Printre acestea se afla propunerea unui nou tranzistor format dintr-un sandwich de semiconductori – o felie de germaniu de tip p, plasată între două bucăți de tip n.
Întărit de existența unui astfel de atu, Shockley a contestat lui Bardeen și Brattain în legătură cu întoarcerea lor în Murray Hill, revendicându-și întreaga glorie pentru invenția tranzistorului. Nu a fost oare ideea lui despre efectul de câmp cea care i-a determinat pe Bardeen și Brattain să rămână în laborator? Nu era necesar, din această cauză, să îi cedeze toate drepturile de brevet? Cu toate acestea, trucul lui Shockley s-a întors împotriva lui: avocații de brevete de la laboratoarele Bell au descoperit că un inventator necunoscut, , a brevetat un amplificator semiconductor pe bază de efect de câmp cu aproape 20 de ani înainte, în 1930. Lilienfeld, desigur, nu și-a concretizat niciodată ideea, având în vedere starea materialelor de pe vremea aceea, dar riscul de suprapunere era prea mare – era mai bine să evite complet menționarea efectului de câmp în brevet.
Așadar, deși laboratoarele Bell i-au oferit lui Shockley o porție generoasă de glorie ca inventator, în brevet au fost menționați doar Bardeen și Brattain. Cu toate acestea, ceea ce s-a făcut nu poate fi inversat: ambițiile lui Shockley i-au distrus relațiile cu cei doi subordonați. Bardeen a încetat să lucreze la tranzistor și s-a concentrat pe superconductivitate. A părăsit laboratoarele în 1951. Brattain a rămas acolo, dar a refuzat să lucreze din nou cu Shockley și a insistat pe un transfer în alt grup.
Datorită incapacității de a colabora cu alții, Shockley nu a avansat în laboratoare, așa că a părăsit acea locație. În 1956, s-a întors acasă la Palo Alto, pentru a-și înființa propria companie de producție a tranzistorilor, Shockley Semiconductor. Înainte de a pleca, a divorțat de soția sa, Jean, în timp ce aceasta se recupera de cancerul de col uterin, și a început o relație cu Emmy Lenning, cu care s-a căsătorit în curând. Dar din cele două părți ale visului său californian – noua companie și noua soție – s-a împlinit doar una. În 1957, cei mai buni ingineri ai săi, furioși din cauza stilului său de conducere și a direcției în care ducea compania, l-au părăsit pentru a înființa o nouă firmă, Fairchild Semiconductor.
Shockley în 1956
Așadar, Shockley a abandonat carcasa goală a companiei sale și s-a angajat în departamentul de inginerie electrică de la Stanford. Acolo, a continuat să îndepărteze colegii (inclusiv pe cel mai vechi prieten al său, fizicianul ) cu teoriile sale despre degenerarea rasială și – subiecte care au fost nepopulare în SUA de la sfârșitul ultimei război, în special în cercurile academice. Se găsea plăcere în a provoca controverse, a stimula presa și a genera proteste. A murit în 1989, distanțându-se de copii și colegi, fiind vizitat doar de devotata sa a doua soție, Emmy.
Deși încercările sale jalnice în antreprenoriat au eșuat, Shockley a sădit semințele într-un sol fertil. Zona din jurul Golfului San Francisco a dat naștere multor companii mici de producție electronică, susținute de finanțarea federală în timpul războiului. Fairchild Semiconductor, un derivat întâmplător al lui Shockley, a generat zeci de firme noi, câteva dintre ele fiind bine cunoscute și astăzi: Intel și Advanced Micro Devices (AMD). La începutul anilor '70, această zonă și-a câștigat porecla ironică „Valea Siliciului”. Dar stai puțin – Bardin și Brettain au creat tranzistorul pe bază de germaniu. De unde a apărut siliciul?
Așa arăta în 2009 locul abandonat din Mountain View, unde se afla anterior Shockley Semiconductor. Astăzi, clădirea a fost demolată.
La intersecția siliciului
Soarta noului tip de tranzistor, inventat de Shockley într-un hotel din Chicago, a fost mult mai fericită decât a inventatorului său. Totul datorită dorinței unei singure persoane de a cultiva cristale semiconductoare pure. Gordon Till, chimist fizic din Texas, care a studiat germaniul, considerat inutil la vremea respectivă, pentru doctoratul său, s-a angajat în laboratorul Bell în anii '30. Aflând despre tranzistor, el s-a convins că fiabilitatea și puterea acestuia pot fi îmbunătățite semnificativ, creându-l dintr-un monokristal pur, și nu din amestecurile policristaline utilizate atunci. Shockley a respins eforturile sale, considerându-le o risipă inutilă de resurse.
Cu toate acestea, Till a perseverat și a obținut succesul, creând cu ajutorul inginerului mecanic John Little un dispozitiv care extrăgea un mic germene de cristal din germaniul topit. Răcindu-se în jurul germenului, germaniul își extindea structura cristalină, creând o rețea semiconductor continuă și aproape pură. Până în primăvara anului 1949, Till și Little putea produce cristale la comandă, iar testele au arătat că acestea lăsau cu mult în urmă concurenții lor policristalini. În special, purtătorii de sarcină adăugați în ele puteau supraviețui în interior timp de o sută de microsecunde sau chiar mai mult (comparativ cu nu mai mult de zece microsecunde în alte mostre de cristale).
Acum Till își permitea mai multe resurse și a angajat mai multe persoane în echipa sa, printre care un alt chimist fizic care venise la laboratoarele Bell din Texas – Morgan Sparks. Au început să schimbe compoziția topiturii pentru a produce germaniu de tip p sau n, adăugând bilele de impurități corespunzătoare. Într-un an, au îmbunătățit tehnologia la un nivel atât de ridicat încât puteau crește un sandwich de germaniu n-p-n direct în topitură. Și acesta funcționa exact așa cum prezisese Shockley: semnalul electric al materialului de tip p modula curentul electric între cei doi conductori conectați la bucățile de tip n care-l înconjurau.
Morgan Sparks și Gordon Till la bancul de lucru în laboratoarele Bell
Acest tranzistor cu joncțiune crescută a depășit predecesorul său cu contact punctiform în aproape toate privințele. În special, acesta a devenit mai fiabil și predictibil, produând mult mai puțin zgomot (și, prin urmare, fiind mai sensibil) și extrem de eficient din punct de vedere energetic – consumând de un milion de ori mai puțină energie decât o lampă electronică tipică. În iulie 1951, laboratoarele Bell au organizat o altă conferință de presă pentru a anunța noua invenție. Chiar înainte ca primul tranzistor să ajungă pe piață, acesta devenise, practic, irelevant.
Și totuși, aceasta a fost doar începutul. În 1952, General Electric (GE) a anunțat dezvoltarea unui nou proces de realizare a tranzistorilor cu joncțiune, un proces de fuzionare. În cadrul acestuia, două bile de indiu (donor de tip p) erau fuzionate de ambele părți ale unei felii subțiri de germaniu de tip n. Acest proces a fost mai simplu și mai ieftin decât creșterea joncțiunilor în aliaj, iar acest tranzistor oferea o rezistență mai mică și susținea frecvențe mai mari.
Tranzistori crescuți și fuzionați
În anul următor, Gordon Teal a decis să se întoarcă în statul său natal și s-a angajat la Texas Instruments (TI) în Dallas. Compania a fost fondată sub numele Geophysical Services, Inc., și inițial a produs echipamente pentru explorarea zăcămintelor de petrol. TI a deschis o divizie de electronică în timpul războiului și acum intra pe piața tranzistorilor pe baza unei licențe de la Western Electric (divizia de producție a laboratoarelor Bell).
Teal a adus cu el abilități noi obținute în laboratoare: capacitatea de a crește și monocristale de siliciu. Cea mai evidentă slăbiciune a germaniului era sensibilitatea sa la temperatură. Sub efectul căldurii, atomii de germaniu din cristal eliberau rapid electroni liberi și se transformau tot mai mult într-un conductor. La o temperatură de 77 °C, acesta înceta complet să funcționeze ca tranzistor. Principala țintă de vânzare a tranzistorilor erau forțele armate – un consumator potențial cu o sensibilitate scăzută la preț și o nevoie imensă de componente electronice stabile, fiabile și compacte. Totuși, germaniul sensibil la temperatură nu ar fi fost util în multe cazuri de aplicație militară, în special în domeniul aerospațial.
Silicon was much more stable, but this came at the cost of a higher melting point, comparable to that of steel. This posed enormous challenges, considering that high-quality transistors required very pure crystals. Hot molten silicon would absorb impurities from any crucible it was in. Til and his team from TI managed to overcome these difficulties with ultra-pure silicon samples from DuPont. In May 1954, at the Institute of Radio Engineers conference in Dayton, Ohio, Til demonstrated that the new silicon devices produced in his laboratory continued to function even when immersed in hot oil.
Răsfățați de succes
Finally, about seven years after the first invention of the transistor, it could be made from the material with which it became synonymous. And it would take roughly as long again before transistors resembling the form used in our microprocessors and memory chips appeared.
In 1955, scientists at Bell Labs successfully learned to make silicon transistors with a new doping technology – instead of adding solid pellets of dopants to a liquid melt, they implanted gaseous additives into the solid surface of the semiconductor (). By carefully controlling the temperature, pressure, and duration of the process, they achieved precisely the required depth and degree of doping. Enhanced control over the manufacturing process led to better control over the electrical properties of the final product. Importantly, thermodiffusion allowed for batch production – it was possible to dope a large silicon wafer and then cut it into transistors. The military financed Bell Labs, as high upfront costs were needed to organize production. They required a new product for the ultrahigh-frequency early radar detection line («), rețeaua de stații radar arctice, destinate detectării bombardierelor sovietice care se îndreptau din direcția Polului Nord, erau pregătite să plătească 100$ pentru un tranzistor (era aceea o perioadă în care un automobil nou costa 2000$).
Alierea împreună cu , care controla amplasarea impurităților, a deschis posibilitatea de a gravura întreaga contur pe un singur substrat semiconductor - până atunci, Fairchild Semiconductor și Texas Instruments ajunseseră la aceeași concluzie în 1959. «» de la Fairchild utiliza depunerea chimică a peliculelor metalice pentru a conecta contactele electrice ale tranzistorului. Aceasta elimina necesitatea de a crea manual cabluri, reducea costurile de producție și creștea fiabilitatea.
În final, în 1960, doi ingineri de la laboratoarele Bell (John Atalla și Devon Kahn) au realizat conceptul original al tranzistorului cu efect de câmp, propus de Shockley. Un strat subțire de oxid de pe suprafața semiconductorului a reușit să suprime eficient stările de suprafață, rezultând astfel că câmpul electric provenit de la poarta de aluminiu pătrundea în siliciu. Astfel a apărut MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (sau structură MOS, de la metal-oxid-semiconductor), care s-a dovedit ușor de miniaturizat și care este utilizat aproape în toate computerele moderne (interesant este că Atalla era originar din Egipt, iar Kahn din Coreea de Sud, iar practic acești doi ingineri din întreaga noastră istorie nu au rădăcini europene).
În cele din urmă, după treisprezece ani de la invenția primului tranzistor, a apărut ceva similar cu tranzistorul din computerul dumneavoastră. Era mai ușor de fabricat, consuma mai puțină energie decât un tranzistor plan, însă răspundea destul de încet la semnale. Numai după răspândirea circuitelor integrate complexe cu sute sau mii de componente plasate pe un singur cip, avantajele tranzistorilor cu efect de câmp au ieșit în evidență.
Ilustrație din brevetul pentru tranzistorul cu efect de câmp
Efectul de câmp a fost ultima contribuție serioasă a laboratoarelor Bell în dezvoltarea transistorului. Marii producători de electronice, precum laboratoarele Bell (cu Western Electric), General Electric, Sylvania și Westinghouse, au acumulat un volum impresionant de cercetări în semiconductori. Între 1952 și 1965, doar laboratoarele Bell au înregistrat peste două sute de patente pe această temă. Cu toate acestea, piața comercială a trecut rapid în mâinile noilor jucători, cum ar fi Texas Instruments, Transitron și Fairchild.
Piața timpurie a transistorilor era prea mică pentru a atrage atenția marilor jucători: aproximativ 18 milioane de dolari pe an la mijlocul anilor 1950, comparativ cu un volum total al pieței electronice de 2 miliarde de dolari. Totuși, laboratoarele de cercetare ale acestor colosi au servit ca tabere de antrenament neintenționate, unde tinerii cercetători puteau acumula cunoștințe despre semiconductori, pentru a trece ulterior la vânzarea serviciilor lor firmelor mai mici. Când piața electronicelor cu tuburi a început să se restrângă serios la mijlocul anilor 1960, pentru laboratoarele Bell, Westinghouse și altele, era deja prea târziu pentru a concura cu noii veniți.
Trecerea computerelor la transistors
În anii 1950, transistorii au pătruns în lumea electronicii în patru domenii semnificative. Primele două au fost aparatele auditive și radioreceptoarele portabile, unde consumul redus de energie și, prin urmare, durata lungă de funcționare pe baterie au prevalat asupra altor considerații. Al treilea a fost aplicarea militară. Armata Statelor Unite nutrea mari speranțe în privința transistorilor, ca fiind componente fiabile și compacte care puteau fi folosite în diverse aplicații, de la radiouri de câmp până la rachete balistice. Totuși, la început, cheltuielile lor pe transistori semănau mai mult cu o investiție în viitorul tehnologiei decât cu o confirmare a valorii lor de atunci. Și, în cele din urmă, au fost și calculele digitale.
În domeniul calculatoarelor, dezavantajele comutatoarelor cu tuburi electronice erau bine cunoscute, iar unii sceptici înainte de război chiar considerau că computerul electronic nu poate deveni un dispozitiv practic. Atunci când mii de tuburi erau adunate într-un singur dispozitiv, acestea consumau energie electrică, generând o cantitate uriașă de căldură, iar din punct de vedere al fiabilității, se putea conta doar pe arderea lor regulată. De aceea, tranzistorul, care consumă puțin, este rece și nu are filamente, a devenit salvatorul producătorilor de computere. Deficiențele sale ca amplificator (de exemplu, un semnal de ieșire mai zgomotos) nu reprezentau o problemă atât de mare atunci când era folosit ca switch. Singura barieră era costul, iar la un moment dat acesta avea să scadă brusc.
Toate experimentele timpurii americane cu computere pe bază de tranzistori au avut loc la intersecția dorinței militarilor de a studia potențialul acestei noi tehnologii promițătoare și dorința inginerilor de a trece la comutatoare îmbunătățite.
În laboratoarele Bell, în 1954, a fost construit TRADIC pentru Forțele Aeriene ale SUA, pentru a verifica dacă tranzistorele permit instalarea unui computer digital la bordul unui bombardier, înlocuind navigația analogică și ajutând la localizarea țintelor. Laboratorul Lincoln de la MIT a dezvoltat computerul TX-0 în cadrul unui proiect extins de apărare aeriană în 1956. Mașina folosea o altă variantă de tranzistor, cu barieră superficială, care se potrivea bine pentru calculi de mare viteză. Philco a construit computerul său SOLO printr-un contract cu Marina (de fapt - la cererea NSA), terminându-l în 1958 (folosind o altă variantă de tranzistor cu barieră superficială).
În Europa de Vest, care nu dispunea de resurse atât de bogate în timpul Războiului Rece, povestea era cu totul diferită. Mașini precum Manchester Transistor Computer, (un alt nume, inspirat de proiectul ENIAC, scris invers), și austricul au fost proiecte secundare, utilizând resursele de care creatorii lor au putut dispune – inclusiv tranzistori cu un singur punct de contact de prima generație.
Există multe dispute cu privire la titlul de primul computer care a folosit tranzistori. Totul depinde, desigur, de alegerea unor definiții corecte pentru cuvintele precum „prim”, „tranzistor” și „computer”. În orice caz, este cunoscut locul unde se încheie istoria. Comercializarea computerelor cu tranzistori a început aproape imediat. An de an, computerele au devenit tot mai puternice pentru aceeași sumă de bani, iar computerele de aceeași putere au devenit tot mai ieftine, iar acest proces părea atât de implacabil încât a fost elevat la rangul de lege, alături de gravitație și conservarea energiei. Trebuie oare să discutăm despre ce pietricică a devenit prima în prăbușire?
De unde provine legea lui Moore?
Pe măsură ce ne apropiem de finalul istoriei comutatorului, este bine să ne punem întrebarea: ce a dus la apariția acestei prăbușiri? De ce există (sau a existat - să discutăm despre asta altădată) legea lui Moore? Pentru avioane sau aspiratoare nu există legea lui Moore, la fel cum nu există pentru tuburile electronice sau relee.
Răspunsul constă în două părți:
- Proprietățile logice ale comutatorului ca categorie de artefact.
- Posibilitatea de a folosi procese pur chimice pentru fabricarea tranzistorilor.
Mai întâi, despre esența comutatorului. Proprietățile celei mai mari părți a artefactelor trebuie să satisfacă o gamă largă de limite fizice implacabile. Un avion de pasageri trebuie să suporte greutatea totală a multor oameni. Un aspirator trebuie să poată aspira o anumită cantitate de murdărie într-un anumit interval de timp pe o anumită suprafață fizică. Avioanele și aspiratoarele ar fi inutile dacă ar fi reduse la dimensiuni nanometrice.
În cazul comutatorului – al comutatorului automat, de care niciodată nu s-a atins mâna umană – limitările fizice sunt considerabil mai puține. Acesta trebuie să aibă două stări diferite și trebuie să poată comunica altor comutatoare similare schimbarea stărilor lor. Adică, tot ce trebuie să facă este să se aprindă și să se stingă. Ce este atât de special în legătură cu tranzistorii? De ce alte tipuri de comutatoare digitale nu au experimentat astfel de îmbunătățiri exponențiale?
Aici ajungem la al doilea fapt. Transistorii pot fi fabricați prin procese chimice fără intervenție mecanică. De la bun început, un element cheie în producția transistorilor a fost utilizarea impurităților chimice. Apoi a apărut procesul planar, care a eliminat ultima etapă mecanică din producție - conectarea firelor. Ca rezultat, acesta a scăpat de ultima restricție fizică asupra miniaturizării. Transistorii nu mai trebuiau să fie suficient de mari pentru degetele umane - sau pentru orice dispozitiv mecanic. Totul era realizat de o chimie simplă, la o scară incredibil de mică: acid pentru gravare, lumină pentru a controla ce părți ale suprafeței se vor opune gravării și vapori pentru a introduce impurități și pelicule metalice pe traseele gravate.
Dar de ce este necesară miniaturizarea? Micșorarea dimensiunii a oferit o serie de efecte secundare plăcute: creșterea vitezei de comutare, reducerea consumului de energie și costul fiecărei unități. Acești stimuli puternici au determinat pe toată lumea să caute metode de a micșora în continuare comutatoarele. Iar industria semiconductorilor a trecut, pe parcursul vieții unei singure persoane, de la fabricarea comutatoarelor de dimensiunea unui unghiu la ambalarea zecilor de milioane de comutatoare pe milimetru pătrat. De la o cerere de opt dolari pentru un comutator la o ofertă de douăzeci de milioane de comutatoare pentru un dolar.
Chipul de memorie Intel 1103 din 1971. Transistorii individuali, având dimensiunea de doar câțiva micrometri, nu mai sunt distingeți cu ochiul liber. De atunci, dimensiunea lor a scăzut de o mie de ori.
Ce altceva să citești:
- Ernest Bruan și Stuart MacDonald, Revoluție în Miniatură (1978)
- Michael Riordan și Lillian Hoddeson, Foc Cristalin (1997)
- Joel Shurkin, Genial Rupt (1997)
Sursa: habr.com
