Andra artiklar i serien:
- Reläets historia
- Elektroniska datorers historia
- Transistorns historia
- Internet historia
I över hundra år har den analoga hunden viftat med sin digitala svans. Försök att utöka kapaciteten hos våra sinnen - syn, hörsel och till och med, i viss mening, beröring - ledde ingenjörer och vetenskapsmän att leta efter bättre komponenter för telegrafer, telefoner, radioapparater och radarer. Det var bara av ren tur som denna sökning upptäckte vägen till skapandet av nya typer av digitala maskiner. Och jag bestämde mig för att berätta historien om denna konstant , under vilken telekommunikationsingenjörer levererade råvarorna till de första digitala datorerna, och ibland till och med designade och byggde dessa datorer själva.
Men på 1960-talet tog detta fruktbara samarbete ett slut, och med det min historia. Tillverkare av digital utrustning behövde inte längre se till telegraf-, telefon- och radiovärldarna för nya, förbättrade växlar, eftersom själva transistorn var en outtömlig källa till förbättringar. År efter år grävde de djupare och djupare och hittade alltid sätt att exponentiellt öka hastigheten och minska kostnaderna.
Inget av detta skulle dock ha hänt om uppfinningen av transistorn hade stannat vid .
långsam start
Det var liten entusiasm i den populära pressen för Bell Labs tillkännagivande av uppfinningen av transistorn. Den 1 juli 1948 ägnade The New York Times tre stycken åt händelsen längst ner i sin Radio News-rapport. Dessutom dök den här nyheten upp efter andra, som uppenbarligen ansågs vara viktigare: till exempel den timmeslånga radioprogrammet "Waltz Time", som var tänkt att dyka upp på NBC. I efterhand kanske vi vill skratta, eller till och med skälla ut de okända författarna – hur kunde de inte känna igen händelsen som vände upp och ner på världen?
Men efterhand förvränger uppfattningen, förstärker signaler vars betydelse vi vet gick förlorade i ett hav av brus vid den tiden. Transistorn från 1948 skilde sig mycket från transistorerna på de datorer som du läser den här artikeln på (om du inte bestämde dig för att skriva ut den). De skilde sig så mycket att de, trots samma namn, och den obrutna arvslinjen som förbinder dem, borde betraktas som olika arter, om inte olika släkten. De har olika sammansättning, olika strukturer, olika funktionsprinciper, för att inte tala om den enorma skillnaden i storlek. Det var bara genom konstant återuppfinning som den klumpiga enheten konstruerad av Bardeen och Brattain kunde förändra världen och våra liv.
Faktum är att enpunkts germaniumtransistorn inte förtjänade mer uppmärksamhet än den fick. Den hade flera defekter som ärvts från vakuumröret. Den var förstås mycket mindre än de mest kompakta lamporna. Frånvaron av en varm glödtråd innebar att den producerade mindre värme, förbrukade mindre energi, brändes inte ut och inte behövde värmas upp före användning.
Men ansamlingen av smuts på kontaktytan ledde till fel och förnekade potentialen för längre livslängd; det gav en bullrigare signal; arbetade endast vid låga effekter och i ett smalt frekvensområde; misslyckades i närvaro av värme, kyla eller fuktighet; och det kunde inte produceras enhetligt. Flera transistorer skapade på samma sätt av samma människor skulle ha väldigt olika elektriska egenskaper. Och allt detta kostade åtta gånger så mycket som en standardlampa.
Det var inte förrän 1952 som Bell Labs (och andra patentinnehavare) hade löst tillverkningsproblemen tillräckligt för att enpunktstransistorer skulle bli praktiska enheter, och även då spreds de inte mycket utanför hörapparatmarknaden, där priskänsligheten var relativt låg och fördelarna i termer av batteritid uppvägde nackdelarna.
Men då hade de första försöken redan börjat förvandla transistorn till något bättre och mer användbart. De började faktiskt mycket tidigare än det ögonblick då allmänheten fick veta om dess existens.
Shockleys ambitioner
Mot slutet av 1947 tog Bill Shockley en resa till Chicago i stor spänning. Han hade vaga idéer om hur han skulle slå Bardeen och Brattains nyligen uppfunna transistor, men hade ännu inte haft en chans att utveckla dem. Så istället för att njuta av en paus mellan arbetets stadier tillbringade han jul och nyår på hotellet och fyllde ett 20-tal sidor av en anteckningsbok med sina idéer. Bland dem fanns ett förslag på en ny transistor bestående av en halvledarsandwich - en skiva germanium av p-typ mellan två stycken av n-typ.
Uppmuntrad av detta ess i rockärmen gjorde Shockley anspråk på Bardeen och Brattain för deras återkomst till Murray Hill, och gjorde anspråk på all ära för att ha uppfunnit transistorn. Var det inte hans idé om fälteffekten som fick Bardeen och Brattain in i laboratoriet? Borde inte detta göra det nödvändigt att överlåta alla rättigheter till patentet till honom? Men Shockleys trick slog tillbaka: Bell Labs patentadvokater fick reda på att den okända uppfinnaren, , patenterade en halvledarfälteffektförstärkare nästan 20 år tidigare, 1930. Lilienfeld implementerade naturligtvis aldrig sin idé, med tanke på materialens tillstånd på den tiden, men risken för överlappning var för stor - det var bättre att helt undvika att nämna fälteffekten i patent.
Så även om Bell Labs gav Shockley en generös del av uppfinnarens kredit, namngav de bara Bardeen och Brattain i patentet. Det som har gjorts kan dock inte ångras: Shockleys ambitioner förstörde hans relation med två underordnade. Bardeen slutade arbeta på transistorn och koncentrerade sig på supraledning. Han lämnade laboratorierna 1951. Brattain blev kvar där, men vägrade arbeta med Shockley igen och insisterade på att bli överförd till en annan grupp.
På grund av sin oförmåga att arbeta med andra människor gjorde Shockley aldrig några framsteg i laboratorierna, så han lämnade också där. 1956 återvände han hem till Palo Alto för att starta sitt eget transistorföretag, Shockley Semiconductor. Innan han lämnade separerade han från sin fru Jean medan hon återhämtade sig från livmodercancer och blev involverad med Emmy Lanning, som han snart gifte sig med. Men av de två halvorna av hans kaliforniska dröm - ett nytt företag och en ny fru - blev bara en sann. 1957 lämnade hans bästa ingenjörer, arga över hans ledarstil och den riktning som han tog företaget i, honom för att grunda ett nytt företag, Fairchild Semiconductor.
Shockley 1956
Så Shockley övergav det tomma skalet i sitt företag och tog ett jobb på den elektrotekniska avdelningen på Stanford. Där fortsatte han att alienera sina kollegor (och sin äldsta vän, fysikern ) teorier om rasdegeneration som intresserade honom och – ämnen som har varit impopulära i USA sedan slutet av förra kriget, särskilt i akademiska kretsar. Han njöt av att väcka kontroverser, piska media och orsaka protester. Han dog 1989, främmande från sina barn och kollegor och besöktes endast av sin alltid hängivna andra fru, Emmy.
Även om hans svaga försök till entreprenörskap misslyckades, hade Shockley planterat ett frö i fruktbar jord. San Francisco Bay Area producerade många små elektronikföretag, som spolades med finansiering från den federala regeringen under kriget. Fairchild Semiconductor, Shockleys oavsiktliga avkomma, skapade dussintals nya företag, varav ett par är kända än idag: Intel och Advanced Micro Devices (AMD). I början av 1970-talet hade området fått det hånfulla smeknamnet "Silicon Valley". Men vänta lite - Bardeen och Brattain skapade germaniumtransistorn. Var kom kisel ifrån?
Så här såg den övergivna Mountain View-platsen ut som tidigare inhyste Shockley Semiconductor 2009. Idag har byggnaden rivits.
Mot Silicon Crossroads
Ödet för en ny typ av transistor, uppfunnen av Shockley på ett hotell i Chicago, var mycket lyckligare än dess uppfinnare. Det är allt tack vare en mans önskan att odla enstaka, rena halvledarkristaller. Gordon Teal, en fysikalisk kemist från Texas som hade studerat det då värdelösa germanium för sin doktorsexamen, tog ett jobb på Bell Labs på 30-talet. Efter att ha lärt sig om transistorn blev han övertygad om att dess tillförlitlighet och kraft kunde förbättras avsevärt genom att skapa den från en ren enkristall, snarare än från de polykristallina blandningar som då användes. Shockley avvisade hans ansträngningar som ett slöseri med resurser.
Men Teal fortsatte och nådde framgång, med hjälp av maskiningenjören John Little, skapa en enhet som extraherar ett litet kristallfrö från smält germanium. När germanium svalnade runt kärnan, expanderade det sin kristallstruktur, vilket skapade ett kontinuerligt och nästan rent halvledande gitter. På våren 1949 kunde Teal och Little skapa kristaller på beställning, och tester visade att de låg långt efter sina polykristallina konkurrenter. I synnerhet kan mindre transportörer som lagts till dem överleva inuti i hundra mikrosekunder eller till och med längre (mot inte mer än tio mikrosekunder i andra kristallprover).
Nu hade Teal råd med mer resurser och rekryterade fler personer till sitt team, bland vilka var en annan fysikalisk kemist som kom till Bell Labs från Texas - Morgan Sparks. De började ändra smältan för att göra germanium av p-typ eller n-typ genom att tillsätta pärlor av lämpliga föroreningar. Inom ett år hade de förbättrat tekniken så mycket att de kunde odla en germanium npn sandwich direkt i smältan. Och det fungerade precis som Shockley förutspådde: en elektrisk signal från materialet av p-typ modulerade den elektriska strömmen mellan två ledare kopplade till de n-typdelarna som omgav den.
Morgan Sparks och Gordon Teal vid en arbetsbänk på Bell Labs
Denna odlade korsningstransistor överträffar sin enpunktskontaktförfader på nästan alla sätt. Framför allt var den mer pålitlig och förutsägbar, producerade mycket mindre buller (och var därför känsligare) och var extremt energieffektiv - förbrukade en miljon gånger mindre energi än ett typiskt vakuumrör. I juli 1951 höll Bell Labs ytterligare en presskonferens för att tillkännage den nya uppfinningen. Redan innan den första transistorn lyckades nå marknaden hade den redan blivit väsentligen irrelevant.
Och ändå var detta bara början. 1952 tillkännagav General Electric (GE) utvecklingen av en ny process för tillverkning av junction transistorer, fusionsmetoden. I dess ram smältes två bollar av indium (donator av p-typ) på båda sidor av en tunn skiva germanium av n-typ. Denna process var enklare och billigare än att växa junctions i en legering; en sådan transistor gav mindre motstånd och stödde högre frekvenser.
Tillväxta och smälta transistorer
Följande år bestämde sig Gordon Teal för att återvända till sin hemstat och tog ett jobb på Texas Instruments (TI) i Dallas. Företaget grundades som Geophysical Services, Inc., och producerade till en början utrustning för oljeprospektering, TI hade öppnat en elektronikdivision under kriget och gick nu in på transistormarknaden under licens från Western Electric (tillverkningsavdelningen för Bell Labs).
Teal tog med sig nya färdigheter som lärt sig i laboratorierna: förmågan att växa och kiselmonokristaller. Den mest uppenbara svagheten hos germanium var dess känslighet för temperatur. När de utsätts för värme släpper germaniumatomerna i kristallen snabbt fria elektroner, och den förvandlades alltmer till en ledare. Vid en temperatur på 77 °C slutade den att fungera helt som en transistor. Huvudmålet för transistorförsäljningen var militären - en potentiell konsument med låg priskänslighet och ett stort behov av stabila, pålitliga och kompakta elektroniska komponenter. Temperaturkänsligt germanium skulle dock inte vara användbart i många militära tillämpningar, särskilt inom flyg- och rymdområdet.
Kisel var mycket mer stabilt, men kom till priset av en mycket högre smältpunkt, jämförbar med stålets. Detta orsakade enorma svårigheter med tanke på att det krävdes mycket rena kristaller för att skapa högkvalitativa transistorer. Varmt smält kisel skulle absorbera föroreningar från vilken degel det än var i. Teel och hans team på TI kunde övervinna dessa utmaningar med hjälp av ultrarena kiselprover från DuPont. I maj 1954, vid en Institute of Radio Engineering-konferens i Dayton, Ohio, visade Teal att nya kiselanordningar som tillverkats i hans laboratorium fortsatte att fungera även när de var nedsänkta i het olja.
Framgångsrika uppkomlingar
Slutligen, cirka sju år efter att transistorn först uppfanns, kunde den tillverkas av det material som den hade blivit synonym med. Och ungefär lika lång tid kommer att gå innan transistorer dyker upp som ungefär liknar formen som används i våra mikroprocessorer och minneschips.
1955 lärde sig Bell Labs forskare framgångsrikt att tillverka kiseltransistorer med en ny dopningsteknologi - istället för att tillsätta fasta kulor av föroreningar till en flytande smälta, introducerade de gasformiga tillsatser i halvledarens fasta yta (). Genom att noggrant kontrollera temperaturen, trycket och varaktigheten av proceduren uppnådde de exakt det krävda djupet och graden av dopning. Större kontroll över tillverkningsprocessen har gett större kontroll över slutproduktens elektriska egenskaper. Ännu viktigare, termisk diffusion gjorde det möjligt att producera produkten i omgångar - man kunde dopa en stor kiselplatta och sedan skära den i transistorer. Militären gav finansiering till Bell Laboratories eftersom att sätta upp produktionen krävde höga initiala kostnader. De behövde en ny produkt för en ultrahögfrekvent radarlänk för tidig varning (""), en kedja av arktiska radarstationer utformade för att upptäcka sovjetiska bombplan som flyger från nordpolen, och de var villiga att betala ut 100 dollar per transistor (det var de dagar då en ny bil kunde köpas för 2000 XNUMX dollar).
Legera med , som kontrollerade platsen för föroreningar, öppnade möjligheten att etsa hela kretsen helt och hållet på ett halvledarsubstrat - detta tänkte Fairchild Semiconductor och Texas Instruments samtidigt på 1959. "" från Fairchild använde kemisk avsättning av metallfilmer som ansluter transistorns elektriska kontakter. Det eliminerade behovet av att skapa manuella ledningar, minskade produktionskostnader och ökad tillförlitlighet.
Slutligen, 1960, implementerade två Bell Labs-ingenjörer (John Atalla och Davon Kahn) Shockleys ursprungliga koncept för en fälteffekttransistor. Ett tunt lager av oxid på ytan av halvledaren kunde effektivt undertrycka yttillstånd, vilket fick det elektriska fältet från aluminiumporten att tränga in i kislet. Så föddes MOSFET [metalloxid-halvledarfälteffekttransistor] (eller MOS-struktur, från metalloxid-halvledare), som visade sig vara så lätt att miniatyrisera och som fortfarande används i nästan alla moderna datorer (intressant nog , Atalla kommer från Egypten och Kang är från Sydkorea, och praktiskt taget bara dessa två ingenjörer från hela vår historia har inte europeiska rötter).
Slutligen, tretton år efter uppfinningen av den första transistorn, dök något som liknade transistorn i din dator. Den var lättare att tillverka och använde mindre ström än kopplingstransistorn, men var ganska långsam att svara på signaler. Det var först med spridningen av storskaliga integrerade kretsar, med hundratals eller tusentals komponenter placerade på ett enda chip, som fördelarna med fälteffekttransistorer kom i förgrunden.
Illustration från fälteffekttransistorpatentet
Fälteffekten var Bell Labs sista stora bidrag till utvecklingen av transistorn. Stora elektroniktillverkare som Bell Laboratories (med sina Western Electric), General Electric, Sylvania och Westinghouse har samlat på sig en imponerande mängd halvledarforskning. Från 1952 till 1965 registrerade Bell Laboratories mer än tvåhundra patent på detta ämne. Ändå föll den kommersiella marknaden snabbt i händerna på nya aktörer som Texas Instruments, Transitron och Fairchild.
Den tidiga transistormarknaden var för liten för att fånga de stora aktörernas uppmärksamhet: cirka 18 miljoner dollar per år i mitten av 1950-talet, jämfört med en total elektronikmarknad på 2 miljarder dollar. Men dessa jättars forskningslaboratorier fungerade som oavsiktliga träningsläger där unga forskare kunde absorbera halvledarkunskap innan de gick vidare för att sälja sina tjänster till mindre företag. När marknaden för rörelektronik började krympa på allvar i mitten av 1960-talet var det för sent för Bell Labs, Westinghouse och resten att konkurrera med uppstickarna.
Övergången av datorer till transistorer
På 1950-talet invaderade transistorer elektronikvärlden i fyra stora områden. De två första var hörapparater och bärbara radioapparater, där låg strömförbrukning och resulterande lång batteritid övervägde andra överväganden. Den tredje var militär användning. Den amerikanska armén hade stora förhoppningar på transistorer som pålitliga, kompakta komponenter som kunde användas i allt från fältradio till ballistiska missiler. Men i de första dagarna verkade deras utgifter för transistorer mer som en satsning på teknikens framtid än en bekräftelse på deras dåvarande värde. Och slutligen fanns det också digital datoranvändning.
På datorområdet var bristerna med vakuumrörsbrytare välkända, och vissa skeptiker trodde före kriget till och med att en elektronisk dator inte kunde göras till en praktisk anordning. När tusentals lampor samlades i en enhet åt de upp elektricitet och producerade enorma mängder värme, och vad gäller tillförlitlighet kunde man bara lita på deras vanliga utbrändhet. Därför blev den energisnåla, coola och gänglösa transistorn datortillverkarnas räddare. Dess nackdelar som förstärkare (t.ex. brusigare utgång) var inte ett sådant problem när den användes som switch. Det enda hindret var kostnaden och i sinom tid skulle den börja sjunka kraftigt.
Alla de tidiga amerikanska experimenten med transistoriserade datorer inträffade i skärningspunkten mellan militärens önskan att utforska potentialen hos en lovande ny teknik och ingenjörernas önskan att gå över till förbättrade switchar.
Bell Labs byggde TRADIC för det amerikanska flygvapnet 1954 för att se om transistorer skulle göra det möjligt att installera en digital dator ombord på ett bombplan, ersätta analog navigering och hjälpa till att hitta mål. MIT Lincoln Laboratory utvecklade TX-0-datorn som en del av ett omfattande luftvärnsprojekt 1956. Maskinen använde en annan variant av ytbarriärtransistorn, väl lämpad för höghastighetsberäkningar. Philco byggde sin SOLO-dator under ett kontrakt med marinen (men faktiskt på begäran av NSA), färdigställde den 1958 (med en annan variant av ytbarriärtransistorn).
I Västeuropa, mindre försett med resurser under det kalla kriget, var historien väldigt annorlunda. Maskiner som Manchester Transistor Computer, (ett annat namn inspirerat av ENIAC-projektet, och stavat baklänges), och österrikiskt var sidoprojekt som använde de resurser som deras skapare kunde skrapa ihop – inklusive första generationens enpunktstransistorer.
Det finns en hel del kontroverser kring titeln på den första datorn som använder transistorer. Allt handlar naturligtvis om att välja rätt definitioner för ord som "först", "transistor" och "dator". Vi vet i alla fall var historien slutar. Kommersialiseringen av transistoriserade datorer började nästan omedelbart. År efter år blev datorer för samma pris kraftfullare, och datorer med samma kraft blev billigare, och denna process verkade så obönhörlig att den höjdes till lagens rang, bredvid gravitationen och bevarandet av energi. Behöver vi bråka om vilken sten som först kollapsade?
Var kommer Moores lag ifrån?
När vi närmar oss slutet av omkopplarens historia är det värt att fråga: vad var det som orsakade denna kollaps? Varför existerar (eller existerade) Moores lag - det ska vi bråka om en annan gång? Det finns ingen Moores lag för flygplan eller dammsugare, precis som det inte finns någon för vakuumrör eller reläer.
Svaret har två delar:
- Logiska egenskaper hos en switch som artefaktkategori.
- Förmågan att använda rent kemiska processer för att tillverka transistorer.
Först om växelns väsen. Egenskaperna hos de flesta artefakter måste uppfylla ett brett spektrum av oförlåtande fysiska begränsningar. Ett passagerarflygplan måste bära den sammanlagda vikten av många människor. En dammsugare måste kunna suga en viss mängd smuts under en viss tid från ett visst fysiskt område. Flygplan och dammsugare skulle vara värdelösa om de reducerades till nanoskala.
En strömbrytare, en automatisk strömbrytare som aldrig har vidrörts av en mänsklig hand, har mycket färre fysiska begränsningar. Den måste ha två olika tillstånd, och den måste kunna kommunicera med andra liknande switchar när deras tillstånd ändras. Det vill säga, allt den ska kunna göra är att slå på och av. Vad är det som är så speciellt med transistorer? Varför har inte andra typer av digitala switchar upplevt sådana exponentiella förbättringar?
Här kommer vi till det andra faktumet. Transistorer kan tillverkas med kemiska processer utan mekaniska ingrepp. Redan från början var ett nyckelelement i transistorproduktionen användningen av kemiska föroreningar. Sedan kom den plana processen, som eliminerade det sista mekaniska steget från produktionen – att fästa ledningarna. Som ett resultat blev han av med den sista fysiska begränsningen av miniatyrisering. Transistorer behövde inte längre vara tillräckligt stora för mänskliga fingrar – eller någon mekanisk anordning. Allt gjordes med enkel kemi, i en ofattbart liten skala: syra för att etsa, ljus för att kontrollera vilka delar av ytan som skulle motstå etsning, och ånga för att införa föroreningar och metallfilmer i de etsade spåren.
Varför behövs miniatyrisering överhuvudtaget? Att minska storleken gav en hel galax av trevliga bieffekter: ökad växlingshastighet, minskad energiförbrukning och kostnaden för enskilda kopior. Dessa kraftfulla incitament har fått alla att leta efter sätt att ytterligare minska byten. Och halvledarindustrin har gått från att tillverka strömbrytare lika stor som en fingernagel till att förpacka tiotals miljoner strömbrytare per kvadratmillimeter under en mans livstid. Från att begära åtta dollar för en switch till att erbjuda tjugo miljoner switchar för en dollar.
Intel 1103 minneschip från 1971. Enskilda transistorer, endast tiotals mikrometer stora, är inte längre synliga för ögat. Och sedan dess har de minskat ytterligare tusen gånger.
Vad mer att läsa:
- Ernest Bruan och Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
- Michael Riordan och Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Källa: will.com