Остали чланци из серије:
- Историја штафете
- Историја електронских рачунара
- Историја транзистора
- Интернет историја
Више од сто година аналогни пас маше својим дигиталним репом. Покушаји да се прошире могућности наших чула – вида, слуха, па чак и, у извесном смислу, додира – навели су инжењере и научнике да траже боље компоненте за телеграфе, телефоне, радио и радаре. Само пуком срећом ова потрага је открила пут ка стварању нових типова дигиталних машина. И одлучио сам да испричам причу о овој константи , током којег су инжењери телекомуникација испоручивали сировине за прве дигиталне рачунаре, а понекад чак и сами дизајнирали и градили те рачунаре.
Али до 1960-их ова плодна сарадња је дошла до краја, а са њом и моја прича. Произвођачи дигиталне опреме више нису морали да траже нове, побољшане прекидаче у свету телеграфа, телефона и радија, пошто је сам транзистор представљао неисцрпни извор побољшања. Из године у годину копали су све дубље и дубље, увек налазећи начине да експоненцијално повећају брзину и смање трошкове.
Међутим, ништа од овога се не би догодило да се проналазак транзистора зауставио на .
Лагани почетак
У популарној штампи је било мало ентузијазма за најаву Белл Лабса о проналаску транзистора. Дана 1. јула 1948, Њујорк тајмс је посветио три параграфа догађају на дну свог извештаја Радио Невс. Штавише, ова вест се појавила после других, очигледно важнијих: на пример, једночасовне радио емисије „Време валцера“, која је требало да се појави на НБЦ-у. Гледајући уназад, можда бисмо желели да се насмејемо, или чак изгрдимо непознате ауторе – како нису препознали догађај који је преокренуо свет?
Али ретроспектива искривљује перцепцију, појачавајући сигнале чији значај знамо да су изгубљени у мору буке у то време. Транзистор из 1948. године се веома разликовао од транзистора рачунара на којима читате овај чланак (осим ако нисте одлучили да га одштампате). Толико су се разликовале да их, упркос истом имену и непрекинутој линији наслеђа која их повезује, треба сматрати различитим врстама, ако не и различитим родовима. Имају различите композиције, различите структуре, различите принципе рада, а да не спомињемо огромну разлику у величини. Само сталним измишљањем неспретни уређај који су конструисали Бардин и Братејн могао је да трансформише свет и наше животе.
У ствари, германијумски транзистор са једном тачком није заслужио више пажње него што је добио. Имао је неколико дефеката наслеђених од вакуумске цеви. Био је, наравно, много мањи од најкомпактнијих лампи. Одсуство вруће филаменте значило је да производи мање топлоте, троши мање енергије, не изгара и не захтева загревање пре употребе.
Међутим, накупљање прљавштине на контактној површини довело је до кварова и негирало потенцијал за дужи век трајања; давао је бучнији сигнал; радио само при малим снагама и у уском фреквентном опсегу; није успео у присуству топлоте, хладноће или влаге; и није могао да се производи једнообразно. Неколико транзистора створених на исти начин од стране истих људи имало би потпуно различите електричне карактеристике. И све ово коштало је осам пута већу цену од стандардне лампе.
Тек 1952. године Белл Лабс (и други власници патената) су довољно решили производне проблеме да транзистори са једном тачком постану практични уређаји, а чак ни тада нису се проширили много даље од тржишта слушних апарата, где је осетљивост на цене била релативно ниска. а предности у погледу трајања батерије биле су веће од недостатака.
Међутим, тада су већ почели први покушаји да се транзистор претвори у нешто боље и корисније. Они су заправо почели много раније од тренутка када је јавност сазнала за његово постојање.
Шоклијеве амбиције
Пред крај 1947. Бил Шокли је са великим узбуђењем отпутовао у Чикаго. Имао је нејасне идеје о томе како да победи Бардин и Братеин недавно измишљени транзистор, али још није имао прилику да их развије. Тако је уместо да ужива у паузи између фаза рада, Божић и Нову годину провео у хотелу, испуњавајући око 20 страница свеске својим идејама. Међу њима је био и предлог за нови транзистор који се састоји од полупроводничког сендвича - кришке германијума п-типа између два дела н-типа.
Охрабрен овим асом из рукава, Шокли је полагао право на Бардина и Братејна за њихов повратак у Мареј Хил, присвајајући све заслуге за проналазак транзистора. Није ли његова идеја о ефекту поља довела Бардина и Братејна у лабораторију? Зар због тога не би требало да се на њега пренесу сва права на патент? Међутим, Шоклијев трик се изјаловио: адвокати за патенте Белл Лабс-а су открили да је непознати проналазач, , патентирао полупроводнички појачавач са ефектом поља скоро 20 година раније, 1930. Лилијенфелд, наравно, никада није реализовао своју идеју, с обзиром на тадашње стање материјала, али је ризик од преклапања био превелик – боље је било потпуно избећи помињање ефекат поља у патенту
Дакле, иако је Белл Лабс Шоклију дао великодушан део заслуга проналазача, у патенту су навели само Бардина и Братејна. Међутим, оно што је учињено не може се поништити: Шоклијеве амбиције су уништиле његов однос са двојицом подређених. Бардин је престао да ради на транзистору и концентрисао се на суперпроводљивост. Напустио је лабораторије 1951. Братејн је остао тамо, али је одбио да поново ради са Шоклијем и инсистирао је да буде пребачен у другу групу.
Због своје неспособности да ради са другим људима, Шокли никада није напредовао у лабораторијама, па је и отишао одатле. Године 1956. вратио се кући у Пало Алто да би основао сопствену транзисторску компанију Схоцклеи Семицондуцтор. Пре него што је отишао, одвојио се од своје супруге Џин док се она опорављала од рака материце и ступио у везу са Еми Ленинг, са којом се убрзо оженио. Али од две половине његовог калифорнијског сна - нова компанија и нова жена - само се једна остварила. Године 1957., његови најбољи инжењери, љути због његовог стила управљања и правца у којем је водио компанију, напустили су га да би основао нову компанију, Фаирцхилд Семицондуцтор.
Шокли 1956. године
Тако је Шокли напустио празну љуску своје компаније и запослио се у одељењу за електротехнику на Станфорду. Тамо је наставио да отуђује своје колеге (и свог најстаријег пријатеља, физичара ) теорије расне дегенерације које су га занимале и – теме које су биле непопуларне у Сједињеним Државама од краја последњег рата, посебно у академским круговима. Са задовољством је подстицао контроверзу, подстицао медије и изазивао протесте. Умро је 1989. године, отуђен од своје деце и колега, а посећивала га је само његова увек одана друга жена Еми.
Иако су његови слаби покушаји предузетништва пропали, Шокли је засадио семе у плодно тло. Подручје залива Сан Франциско произвело је много малих електронских фирми, које су током рата биле финансиране средствима савезне владе. Фаирцхилд Семицондуцтор, Шоклијев случајни потомак, изнедрио је десетине нових компанија, од којих је неколико и данас познато: Интел и Адванцед Мицро Девицес (АМД). До раних 1970-их, ово подручје је стекло подругљиви надимак „Силицијумска долина“. Али сачекајте мало - Бардин и Братејн су створили германијумски транзистор. Одакле је дошао силицијум?
Овако је изгледала напуштена локација Маунтин Вју у којој је раније био Схоцклеи Семицондуцтор 2009. године. Данас је зграда срушена.
Ка силиконском раскршћу
Судбина новог типа транзистора, који је измислио Шокли у хотелу у Чикагу, била је много срећнија од судбине његовог проналазача. Све је то захваљујући жељи једног човека да узгаја појединачне, чисте полупроводничке кристале. Гордон Тил, физички хемичар из Тексаса који је проучавао тада бескорисни германијум за докторат, запослио се у Белл Лабс-у 30-их. Сазнавши за транзистор, постао је уверен да се његова поузданост и снага могу значајно побољшати стварањем од чистог монокристала, а не од поликристалних мешавина које су тада коришћене. Шокли је одбацио његове напоре као губитак ресурса.
Међутим, Тил је истрајао и постигао успех, уз помоћ машинског инжењера Џона Литла, стварајући уређај који извлачи сићушно кристално семе из растопљеног германијума. Како се германијум хладио око језгра, проширио је своју кристалну структуру, стварајући континуирану и скоро чисту полупроводну решетку. До пролећа 1949. Тил и Литл су могли да праве кристале по наруџбини, а тестови су показали да су далеко заостали за својим поликристалним конкурентима. Конкретно, мањи транспортери који су им додати могли су да преживе унутра стотину микросекунди или чак дуже (насупрот не више од десет микросекунди у другим узорцима кристала).
Сада је Тил могао да приушти више ресурса, и регрутовао је више људи у свој тим, међу којима је био још један физички хемичар који је дошао у Белл Лабс из Тексаса - Морган Спаркс. Почели су да мењају растоп да би направили германијум п-типа или н-типа додавањем куглица одговарајућих нечистоћа. У року од годину дана унапредили су технологију до те мере да су могли да узгајају германијум нпн сендвич директно у топљењу. И функционисало је тачно онако како је Шокли предвидео: електрични сигнал из материјала п-типа модулирао је електричну струју између два проводника повезана са деловима н-типа који га окружују.
Морган Спаркс и Гордон Тил на радном столу у Белл Лабс-у
Овај нарасли транзистор за спајање надмашује свог претка контакта у једној тачки у скоро сваком погледу. Конкретно, био је поузданији и предвидљивији, производио је много мање буке (и стога је био осетљивији) и био је изузетно енергетски ефикасан – трошио је милион пута мање енергије од типичне вакуумске цеви. У јулу 1951. Белл Лабс је одржао још једну конференцију за штампу на којој је најавио нови проналазак. Чак и пре него што је први транзистор успео да дође на тржиште, он је већ постао суштински ирелевантан.
Па ипак, ово је био само почетак. Генерал Елецтриц (ГЕ) је 1952. године најавио развој новог процеса за прављење спојних транзистора, метод фузије. У његовом оквиру, две куглице индијума (донор п-типа) биле су спојене са обе стране танке кришке германијума н-типа. Овај процес је био једноставнији и јефтинији од растућих спојева у легури; такав транзистор је давао мањи отпор и подржавао веће фреквенције.
Нарасли и фузионисани транзистори
Следеће године, Гордон Тил је одлучио да се врати у своју матичну државу и запослио се у Текас Инструментс (ТИ) у Даласу. Компанија је основана као Геопхисицал Сервицес, Инц., и у почетку је производила опрему за истраживање нафте, ТИ је отворио одељење за електронику током рата, а сада је улазио на тржиште транзистора под лиценцом Вестерн Елецтриц-а (производна дивизија Белл Лабс-а).
Тил је са собом донео нове вештине научене у лабораторијама: способност раста и монокристали силицијума. Најочигледнија слабост германијума била је његова осетљивост на температуру. Када су изложени топлоти, атоми германијума у кристалу брзо одбацују слободне електроне и он се све више претвара у проводник. На температури од 77 °Ц потпуно је престао да ради као транзистор. Главни циљ продаје транзистора била је војска – потенцијални потрошач са ниском осетљивошћу на цену и огромном потребом за стабилним, поузданим и компактним електронским компонентама. Међутим, германијум осетљив на температуру не би био користан у многим војним применама, посебно у области ваздухопловства.
Силицијум је био много стабилнији, али је долазио по цену много веће тачке топљења, упоредиве са оном челика. То је изазвало огромне потешкоће, с обзиром на то да су за стварање висококвалитетних транзистори били потребни веома чисти кристали. Врући растопљени силицијум би апсорбовао загађиваче из било које посуде у којој се налазио. Теел и његов тим у ТИ успели су да превазиђу ове изазове користећи узорке ултра чистог силицијума из ДуПонт-а. У мају 1954, на конференцији Института за радиотехнику у Дејтону, Охајо, Тил је показао да нови силиконски уређаји произведени у његовој лабораторији настављају да раде чак и када су уроњени у врело уље.
Успешни почетници
Коначно, неких седам година након што је транзистор први пут измишљен, могао се направити од материјала за који је постао синоним. И отприлике исто толико времена ће проћи до појаве транзистора који отприлике личе на облик који се користи у нашим микропроцесорима и меморијским чиповима.
Године 1955. научници Белл Лабс-а су успешно научили да праве силицијумске транзисторе новом технологијом допинга - уместо да додају чврсте куглице нечистоћа у течну топљену, унели су гасне адитиве у чврсту површину полупроводника (). Пажљивом контролом температуре, притиска и трајања поступка постигли су тачно потребну дубину и степен допинга. Већа контрола над процесом производње дала је већу контролу над електричним својствима финалног производа. Што је још важније, термичка дифузија је омогућила производњу производа у серијама - могли сте да натопите велику плочу силицијума, а затим је исечете у транзисторе. Војска је обезбедила средства за Белл Лабораториес јер је постављање производње захтевало високе трошкове унапред. Требао им је нови производ за ултра-високу фреквенцију радара за рано упозоравање (““), ланац арктичких радарских станица дизајнираних да открију совјетске бомбардере који лете са Северног пола, и били су спремни да дају 100 долара по транзистору (то су били дани када се нови аутомобил могао купити за 2000 долара).
Легирање са , који је контролисао локацију нечистоћа, отворио је могућност урезивања читавог кола у потпуности на једној полупроводничкој подлози - о томе су истовремено размишљали Фаирцхилд Семицондуцтор и Текас Инструментс 1959.“ из Фаирцхилд-а користио је хемијско наношење металних филмова који повезују електричне контакте транзистора. То је елиминисало потребу за ручним ожичењем, смањило трошкове производње и повећало поузданост.
Коначно, 1960. године, два инжењера Белл Лабса (Џон Атала и Давон Кан) имплементирали су Шоклијев оригинални концепт транзистора са ефектом поља. Танак слој оксида на површини полупроводника био је у стању да ефикасно потисне површинска стања, узрокујући да електрично поље из алуминијумске капије продре у силицијум. Тако је настао МОСФЕТ [метал-окиде семицондуцтор фиелд-еффецт трансистор] (или МОС структура, од метал-окиде-семицондуцтор), који се показао тако лаким за минијатуризацију, и који се још увек користи у скоро свим модерним рачунарима (занимљиво , Атала је пореклом из Египта, а Канг из Јужне Кореје и практично само ова два инжењера из целе наше историје немају европске корене).
Коначно, тринаест година након проналаска првог транзистора, појавило се нешто што личи на транзистор у вашем рачунару. Био је лакши за производњу и користио је мање енергије од спојног транзистора, али је био прилично спор да реагује на сигнале. Тек са ширењем интегрисаних кола великих размера, са стотинама или хиљадама компоненти смештених на једном чипу, предности транзистора са ефектом поља су дошле до изражаја.
Илустрација из патента транзистора са ефектом поља
Ефекат поља је био последњи велики допринос Белл Лабс-а развоју транзистора. Главни произвођачи електронике, као што су Белл Лабораториес (са својим Вестерн Елецтриц), Генерал Елецтриц, Силваниа и Вестингхоусе, прикупили су импресивну количину истраживања полупроводника. Од 1952. до 1965. године, само Белл Лабораториес је регистровала више од две стотине патената на ову тему. Ипак, комерцијално тржиште је брзо пало у руке нових играча као што су Текас Инструментс, Транситрон и Фаирцхилд.
Рано тржиште транзистора било је премало да би привукло пажњу главних играча: око 18 милиона долара годишње средином 1950-их, у поређењу са укупним тржиштем електронике од 2 милијарде долара. Међутим, истраживачке лабораторије ових гиганата служиле су као ненамерни кампови за обуку где би млади научници могли да апсорбују знање о полупроводницима пре него што пређу на продају својих услуга мањим фирмама. Када је средином 1960-их тржиште цевне електронике почело озбиљно да се смањује, било је прекасно за Белл Лабс, Вестингхоусе и остале да се такмиче са почетницима.
Прелазак рачунара на транзисторе
Педесетих година прошлог века транзистори су напали свет електронике у четири главна подручја. Прва два су били слушни апарати и преносиви радио уређаји, где су ниска потрошња енергије и као резултат тога дуг век батерије надмашили друга разматрања. Трећа је била војна употреба. Америчка војска је полагала велике наде у транзисторе као поуздане, компактне компоненте које се могу користити у свему, од теренских радија до балистичких пројектила. Међутим, у првим данима, њихова потрошња на транзисторе више је изгледала као опклада у будућност технологије него као потврда њихове тадашње вредности. И коначно, ту је било и дигитално рачунарство.
У области рачунара, недостаци прекидача са вакуумским цевима били су добро познати, а неки скептици су пре рата чак веровали да се од електронског рачунара не може направити практичан уређај. Када су хиљаде лампи сакупљене у једном уређају, оне су појеле струју, производећи огромне количине топлоте, а у погледу поузданости могло се ослонити само на њихово редовно сагоревање. Стога је транзистор мале снаге, хладан и без навоја постао спаситељ произвођача рачунара. Његови недостаци као појачало (на пример, бучнији излаз) нису били толики проблем када се користи као прекидач. Једина препрека је био трошак, који би временом почео нагло да пада.
Сви рани амерички експерименти са транзисторизованим рачунарима десили су се на пресеку жеље војске да истражи потенцијал обећавајуће нове технологије и жеље инжењера да пређу на побољшане прекидаче.
Белл Лабс је 1954. године направио ТРАДИЦ за Ваздухопловство САД да види да ли би транзистори омогућили да се дигитални рачунар инсталира на бомбардеру, замењујући аналогну навигацију и помажући у проналажењу циљева. Лабораторија МИТ Линколн развила је рачунар ТКС-0 као део опсежног пројекта противваздушне одбране 1956. године. Машина је користила другу варијанту транзистора са површинском баријером, веома погодну за рачунарство велике брзине. Пхилцо је направио свој СОЛО рачунар по уговору са морнарицом (али заправо на захтев НСА), завршивши га 1958. (користећи другу варијанту транзистора са површинском баријером).
У западној Европи, мање обдареној ресурсима током Хладног рата, прича је била сасвим другачија. Машине попут Манчестерског транзисторског компјутера, (друго име инспирисано пројектом ЕНИАЦ, а написано уназад), и аустријски били су споредни пројекти који су користили ресурсе које су њихови креатори могли да скупе - укључујући транзисторе прве генерације са једном тачком.
Много је контроверзи око наслова првог рачунара који је користио транзисторе. Све се, наравно, своди на одабир правих дефиниција за речи као што су „први“, „транзистор“ и „компјутер“. У сваком случају, знамо где се прича завршава. Скоро одмах је почела комерцијализација транзисторизованих рачунара. Из године у годину, рачунари за исту цену постајали су моћнији, а рачунари исте снаге појефтињивали, а овај процес је изгледао толико неумољив да је уздигнут на ранг закона, поред гравитације и очувања енергије. Да ли треба да се расправљамо о томе који се каменчић први срушио?
Одакле потиче Муров закон?
Како се приближавамо крају приче о прекидачу, вреди се запитати: шта је изазвало овај колапс? Зашто Муров закон постоји (или је постојао – о томе ћемо се расправљати други пут)? Не постоји Муров закон за авионе или усисиваче, као што не постоји нико за вакумске цеви или релеје.
Одговор има два дела:
- Логичка својства прекидача као категорије артефакта.
- Способност коришћења чисто хемијских процеса за прављење транзистора.
Прво, о суштини прекидача. Својства већине артефаката морају да задовоље широк спектар неопростивих физичких ограничења. Путнички авион мора да издржи укупну тежину многих људи. Усисивач мора бити у стању да у одређеном времену усише одређену количину прљавштине са одређеног физичког подручја. Авиони и усисивачи били би бескорисни ако би се свели на наносмеру.
Прекидач, аутоматски прекидач који никада није додирнула људска рука, има много мање физичких ограничења. Мора имати два различита стања и мора бити у стању да комуницира са другим сличним прекидачима када се њихова стања промене. То јест, све што би требало да буде у могућности је да се укључи и искључи. Шта је тако посебно у вези са транзисторима? Зашто други типови дигиталних прекидача нису доживели тако експоненцијална побољшања?
Овде долазимо до друге чињенице. Транзистори се могу направити хемијским процесима без механичке интервенције. Од самог почетка, кључни елемент производње транзистора била је употреба хемијских нечистоћа. Затим је дошао планарни процес, који је елиминисао последњи механички корак из производње - причвршћивање жица. Као резултат тога, ослободио се последњег физичког ограничења минијатуризације. Транзистори више нису морали да буду довољно велики за људске прсте — или било који механички уређај. Све је то урађено једноставном хемијом, у незамисливо малом обиму: киселина за нагризање, светлост да контролише који делови површине ће одолети нагризању, и пара да унесе нечистоће и металне филмове у урезане трагове.
Зашто је минијатуризација уопште неопходна? Смањење величине дало је читаву галаксију пријатних нежељених ефеката: повећану брзину пребацивања, смањену потрошњу енергије и цену појединачних копија. Ови снажни подстицаји навели су све да траже начине за даље смањење прекидача. Индустрија полупроводника је прошла пут од прављења прекидача величине нокта до паковања десетина милиона прекидача по квадратном милиметру током живота једног човека. Од тражења осам долара за један прекидач до понуде двадесет милиона прекидача за долар.
Интел 1103 меморијски чип из 1971. Појединачни транзистори, величине само десетине микрометара, више нису видљиви оку. И од тада су се смањили још хиљаду пута.
Шта још читати:
- Ернест Бруан и Стјуарт Мекдоналд, Револуција у минијатури (1978)
- Мајкл Риордан и Лилијан Ходесон, Кристална ватра (1997)
- Џоел Шуркин, Сломљени геније (1997)
Извор: ввв.хабр.цом