บทความอื่น ๆ ในซีรีส์:
- ประวัติการถ่ายทอด
- ประวัติคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์
- ประวัติของทรานซิสเตอร์
- ประวัติอินเทอร์เน็ต
เป็นเวลากว่าร้อยปีมาแล้วที่สุนัขแอนะล็อกตัวนี้กระดิกหางแบบดิจิทัล ความพยายามที่จะขยายขีดความสามารถของประสาทสัมผัสของเรา เช่น การมองเห็น การได้ยิน และแม้กระทั่งในแง่การสัมผัส ทำให้วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ค้นหาส่วนประกอบที่ดีกว่าสำหรับโทรเลข โทรศัพท์ วิทยุ และเรดาร์ เป็นเพียงความโชคดีเท่านั้นที่การค้นหานี้ค้นพบหนทางในการสร้างเครื่องจักรดิจิทัลประเภทใหม่ และฉันตัดสินใจที่จะเล่าเรื่องราวของเรื่องนี้อย่างต่อเนื่อง ในระหว่างนั้นวิศวกรโทรคมนาคมเป็นผู้จัดหาวัตถุดิบสำหรับคอมพิวเตอร์ดิจิทัลเครื่องแรก และบางครั้งก็ออกแบบและสร้างคอมพิวเตอร์เหล่านั้นเองด้วยซ้ำ
แต่เมื่อถึงทศวรรษ 1960 การทำงานร่วมกันอย่างประสบความสำเร็จนี้สิ้นสุดลง และด้วยเรื่องราวของฉัน ผู้ผลิตอุปกรณ์ดิจิทัลไม่จำเป็นต้องมองหาสวิตช์ใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงในโลกของโทรเลข โทรศัพท์ และวิทยุอีกต่อไป เนื่องจากตัวทรานซิสเตอร์เองเป็นแหล่งของการปรับปรุงที่ไม่มีวันสิ้นสุด ปีแล้วปีเล่าพวกเขาขุดลึกลงไปเรื่อยๆ โดยค้นหาวิธีเพิ่มความเร็วและลดต้นทุนแบบทวีคูณอยู่เสมอ
อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นหากการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์หยุดลง .
เริ่มช้า
มีความกระตือรือร้นเพียงเล็กน้อยในสื่อยอดนิยมสำหรับการประกาศการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ของ Bell Labs เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม พ.ศ. 1948 เดอะนิวยอร์กไทมส์ได้อุทิศสามย่อหน้าให้กับเหตุการณ์นี้ที่ด้านล่างของรายงานข่าววิทยุ ยิ่งไปกว่านั้น ข่าวนี้ปรากฏตามข่าวอื่นๆ ซึ่งเห็นได้ชัดว่าถือว่าสำคัญกว่า เช่น รายการวิทยุความยาวหนึ่งชั่วโมง “Waltz Time” ซึ่งควรจะปรากฏใน NBC เมื่อมองย้อนกลับไป เราอาจอยากจะหัวเราะ หรือแม้แต่ดุผู้เขียนที่ไม่รู้จัก - ทำไมพวกเขาถึงไม่รับรู้ถึงเหตุการณ์ที่ทำให้โลกพลิกคว่ำ?
แต่การเข้าใจถึงปัญหาหลังเหตุการณ์จะบิดเบือนการรับรู้ โดยขยายสัญญาณที่นัยสำคัญที่เรารู้ว่าสูญหายไปในทะเลแห่งเสียงรบกวนในขณะนั้น ทรานซิสเตอร์ของปี 1948 แตกต่างอย่างมากจากทรานซิสเตอร์ของคอมพิวเตอร์ที่คุณกำลังอ่านบทความนี้ (เว้นแต่คุณจะตัดสินใจพิมพ์ออกมา) พวกเขาแตกต่างกันมากถึงแม้จะมีชื่อเดียวกันและมีสายมรดกที่เชื่อมต่อกันไม่ขาดสาย แต่ก็ควรได้รับการพิจารณาให้เป็นสายพันธุ์ที่แตกต่างกันหากไม่ใช่สกุลที่แตกต่างกัน พวกเขามีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน โครงสร้างที่แตกต่างกัน หลักการทำงานที่แตกต่างกัน ไม่ต้องพูดถึงขนาดที่แตกต่างกันมาก อุปกรณ์เงอะงะที่สร้างโดย Bardeen และ Brattain สามารถเปลี่ยนโลกและชีวิตเราได้ผ่านการคิดค้นสิ่งใหม่ๆ อย่างต่อเนื่องเท่านั้น
ในความเป็นจริง ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมจุดเดียวไม่สมควรได้รับความสนใจมากไปกว่าที่ได้รับ มีข้อบกพร่องหลายประการที่สืบทอดมาจากหลอดสุญญากาศ แน่นอนว่ามันเล็กกว่าหลอดไฟขนาดกะทัดรัดที่สุดมาก การไม่มีไส้หลอดร้อนหมายความว่าจะผลิตความร้อนน้อยลง ใช้พลังงานน้อยลง ไม่ไหม้ และไม่จำเป็นต้องอุ่นเครื่องก่อนใช้งาน
อย่างไรก็ตาม การสะสมของสิ่งสกปรกบนพื้นผิวสัมผัสทำให้เกิดความล้มเหลวและทำให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้น มันให้สัญญาณที่ดังกว่า ทำงานเฉพาะที่กำลังไฟต่ำและในช่วงความถี่แคบเท่านั้น ล้มเหลวในที่ที่มีความร้อน ความเย็น หรือความชื้น และไม่สามารถผลิตได้สม่ำเสมอ ทรานซิสเตอร์หลายตัวที่สร้างขึ้นในลักษณะเดียวกันโดยคนคนเดียวกันจะมีลักษณะทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันอย่างมาก และทั้งหมดนี้มีราคาถึงแปดเท่าของหลอดไฟมาตรฐาน
จนกระทั่งถึงปี 1952 Bell Labs (และผู้ถือสิทธิบัตรอื่นๆ) ได้แก้ไขปัญหาการผลิตที่เพียงพอสำหรับทรานซิสเตอร์แบบจุดเดียวจนกลายมาเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง และถึงอย่างนั้น ก็ไม่ได้แพร่กระจายไปไกลกว่าตลาดเครื่องช่วยฟังมากนัก ซึ่งความอ่อนไหวด้านราคาค่อนข้างต่ำ และคุณประโยชน์ในแง่ของอายุการใช้งานแบตเตอรี่มีมากกว่าข้อเสีย
อย่างไรก็ตามความพยายามครั้งแรกได้เริ่มเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ให้เป็นสิ่งที่ดีกว่าและมีประโยชน์มากขึ้นแล้ว จริงๆ แล้วพวกมันเริ่มต้นเร็วกว่าช่วงเวลาที่สาธารณชนทราบถึงการมีอยู่ของมันมาก
ความทะเยอทะยานของ Shockley
ในช่วงปลายปี 1947 Bill Shockley เดินทางไปชิคาโกด้วยความตื่นเต้นอย่างยิ่ง เขามีความคิดที่คลุมเครือเกี่ยวกับวิธีการเอาชนะทรานซิสเตอร์ที่เพิ่งประดิษฐ์ขึ้นของ Bardeen และ Brattain แต่ยังไม่มีโอกาสพัฒนาพวกมัน ดังนั้น แทนที่จะเพลิดเพลินไปกับการพักระหว่างช่วงทำงาน เขาใช้เวลาช่วงคริสต์มาสและปีใหม่ที่โรงแรม โดยเติมไอเดียของเขาลงในสมุดบันทึกประมาณ 20 หน้า หนึ่งในนั้นคือข้อเสนอสำหรับทรานซิสเตอร์ตัวใหม่ซึ่งประกอบด้วยแซนด์วิชเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นชิ้นส่วนของเจอร์เมเนียมชนิด p ระหว่างชิ้นส่วนของชนิด n สองชิ้น
ด้วยการสนับสนุนจากเอซคนนี้ที่แขนเสื้อของเขา Shockley อ้างสิทธิ์กับ Bardeen และ Brattain สำหรับการกลับมาที่ Murray Hill โดยอ้างสิทธิ์ทั้งหมดในการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ มันเป็นความคิดของเขาเกี่ยวกับเอฟเฟกต์สนามที่ทำให้ Bardeen และ Brattain เข้าไปในห้องทดลองไม่ใช่หรือ? นี่ควรทำให้จำเป็นต้องโอนสิทธิทั้งหมดในสิทธิบัตรไปให้เขาไม่ใช่หรือ? อย่างไรก็ตาม เคล็ดลับของ Shockley กลับกลายเป็นผลเสีย: ทนายความด้านสิทธิบัตรของ Bell Labs พบว่านักประดิษฐ์ที่ไม่รู้จักรายดังกล่าว จดสิทธิบัตรเครื่องขยายสัญญาณเอฟเฟกต์สนามเซมิคอนดักเตอร์เมื่อเกือบ 20 ปีก่อนในปี 1930 แน่นอนว่า Lilienfeld ไม่เคยนำแนวคิดของเขาไปใช้เลย เนื่องจากสถานะของวัสดุในขณะนั้น แต่ความเสี่ยงของการทับซ้อนกันนั้นสูงเกินไป - ควรหลีกเลี่ยงการเอ่ยถึงโดยสิ้นเชิงจะดีกว่า ผลกระทบภาคสนามในสิทธิบัตร
ดังนั้น แม้ว่า Bell Labs จะให้ส่วนแบ่งเครดิตของนักประดิษฐ์แก่ Shockley อย่างมาก แต่พวกเขาก็ตั้งชื่อเฉพาะ Bardeen และ Brattain ในสิทธิบัตรเท่านั้น อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทำไปแล้วไม่สามารถยกเลิกได้: ความทะเยอทะยานของ Shockley ทำลายความสัมพันธ์ของเขากับผู้ใต้บังคับบัญชาสองคน Bardeen หยุดทำงานกับทรานซิสเตอร์และมุ่งความสนใจไปที่ความเป็นตัวนำยิ่งยวด เขาออกจากห้องทดลองในปี พ.ศ. 1951 Brattain ยังคงอยู่ที่นั่น แต่ปฏิเสธที่จะร่วมงานกับ Shockley อีกครั้ง และยืนกรานที่จะย้ายไปยังกลุ่มอื่น
เนื่องจากเขาไม่สามารถทำงานร่วมกับคนอื่นได้ Shockley ไม่เคยมีความคืบหน้าใดๆ ในห้องปฏิบัติการ ดังนั้นเขาจึงออกจากที่นั่นด้วย ในปี 1956 เขากลับบ้านที่ Palo Alto เพื่อก่อตั้งบริษัททรานซิสเตอร์ของตัวเองชื่อ Shockley Semiconductor ก่อนออกเดินทาง เขาแยกทางกับฌอง ภรรยาของเขาในขณะที่เธอกำลังฟื้นตัวจากมะเร็งมดลูก และเริ่มเข้าไปพัวพันกับเอ็มมี แลนนิง ซึ่งในไม่ช้าเขาก็แต่งงานด้วย แต่ในความฝันของชาวแคลิฟอร์เนียสองซีกของเขา - บริษัทใหม่และภรรยาใหม่ - มีเพียงความฝันเดียวเท่านั้นที่เป็นจริง ในปีพ.ศ. 1957 วิศวกรที่เก่งที่สุดของเขาไม่พอใจกับรูปแบบการบริหารจัดการและทิศทางที่เขาเข้ามาบริหารบริษัท จึงทิ้งเขาไปก่อตั้งบริษัทใหม่ชื่อ Fairchild Semiconductor
ช็อคลีย์ในปี 1956
Shockley จึงละทิ้งบริษัทที่ว่างเปล่าและเข้าทำงานในแผนกวิศวกรรมไฟฟ้าที่ Stanford ที่นั่นเขายังคงทำให้เพื่อนร่วมงานของเขาแปลกแยก (และนักฟิสิกส์เพื่อนที่เก่าแก่ที่สุดของเขา) ) ทฤษฎีความเสื่อมทางเชื้อชาติที่เขาสนใจและ – หัวข้อที่ไม่เป็นที่นิยมในสหรัฐอเมริกานับตั้งแต่สิ้นสุดสงครามครั้งสุดท้ายโดยเฉพาะในแวดวงวิชาการ เขาพอใจที่จะปลุกปั่นให้เกิดความขัดแย้ง โจมตีสื่อ และก่อให้เกิดการประท้วง เขาเสียชีวิตในปี 1989 โดยห่างเหินจากลูกๆ และเพื่อนร่วมงาน และมีเพียงเอ็มมี ภรรยาคนที่สองผู้ภักดีมาเยี่ยมเท่านั้น
แม้ว่าความพยายามเพียงเล็กน้อยในการเป็นผู้ประกอบการของเขาจะล้มเหลว แต่ Shockley ก็ได้ปลูกเมล็ดพันธุ์ไว้ในดินที่มีผลดก บริเวณอ่าวซานฟรานซิสโกผลิตบริษัทอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งต้องได้รับเงินทุนสนับสนุนจากรัฐบาลกลางในช่วงสงคราม Fairchild Semiconductor ซึ่งเป็นลูกหลานโดยบังเอิญของ Shockley ได้สร้างบริษัทใหม่หลายสิบแห่ง ซึ่งสองสามบริษัทยังคงเป็นที่รู้จักในปัจจุบัน: Intel และ Advanced Micro Devices (AMD) ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 พื้นที่ดังกล่าวได้รับฉายาว่า "Silicon Valley" แต่เดี๋ยวก่อน Bardeen และ Brattain ได้สร้างทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมขึ้นมา ซิลิคอนมาจากไหน?
นี่คือลักษณะของไซต์ Mountain View ที่ถูกทิ้งร้างซึ่งเดิมเป็นที่ตั้งของ Shockley Semiconductor ในปี 2009 วันนี้อาคารได้ถูกรื้อถอนแล้ว
สู่ทางแยกซิลิคอน
ชะตากรรมของทรานซิสเตอร์ชนิดใหม่ที่ Shockley ประดิษฐ์ขึ้นในโรงแรมแห่งหนึ่งในชิคาโกนั้นมีความสุขมากกว่าผู้ประดิษฐ์มาก ทั้งหมดนี้ต้องขอบคุณความปรารถนาของชายคนหนึ่งที่จะเติบโตผลึกเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์เดี่ยว Gordon Teal นักเคมีกายภาพจากเท็กซัสที่เคยศึกษาเจอร์เมเนียมที่ไม่มีประโยชน์ในขณะนั้นสำหรับปริญญาเอกของเขา เข้าทำงานที่ Bell Labs ในช่วงทศวรรษที่ 30 เมื่อได้เรียนรู้เกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ เขาจึงเชื่อมั่นว่าความน่าเชื่อถือและกำลังของทรานซิสเตอร์สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการสร้างจากผลึกเดี่ยวบริสุทธิ์ แทนที่จะสร้างจากส่วนผสมโพลีคริสตัลไลน์ที่ใช้ในขณะนั้น Shockley ปฏิเสธความพยายามของเขาเนื่องจากเป็นการสิ้นเปลืองทรัพยากร
อย่างไรก็ตาม Teal ยังคงยืนหยัดและประสบความสำเร็จ โดยได้รับความช่วยเหลือจากวิศวกรเครื่องกล John Little โดยสร้างอุปกรณ์ที่สกัดเมล็ดคริสตัลเล็กๆ จากเจอร์เมเนียมหลอมเหลว เมื่อเจอร์เมเนียมเย็นลงรอบนิวเคลียส โครงสร้างผลึกก็ขยายตัว ทำให้เกิดโครงตาข่ายเซมิคอนดักเตอร์ที่ต่อเนื่องและเกือบบริสุทธิ์ เมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิปี 1949 Teal และ Little สามารถสร้างคริสตัลตามสั่งได้ และจากการทดสอบพบว่าพวกเขาตามหลังคู่แข่งโพลีคริสตัลไลน์อยู่มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวขนส่งรายย่อยที่เพิ่มเข้ามาสามารถอยู่รอดภายในได้เป็นเวลาหนึ่งร้อยไมโครวินาทีหรือนานกว่านั้นด้วยซ้ำ (เทียบกับตัวอย่างคริสตัลอื่นๆ ที่ไม่เกินสิบไมโครวินาที)
ตอนนี้ Teal สามารถซื้อทรัพยากรได้มากขึ้น และจ้างคนมาร่วมทีมมากขึ้น ในจำนวนนี้เป็นนักเคมีกายภาพอีกคนหนึ่งที่มาที่ Bell Labs จากเท็กซัส - Morgan Sparks พวกเขาเริ่มปรับเปลี่ยนการหลอมให้เป็นเจอร์เมเนียมชนิด p หรือ n โดยการเติมเม็ดบีดที่มีสารเจือปนที่เหมาะสม ภายในหนึ่งปี พวกเขาได้ปรับปรุงเทคโนโลยีจนถึงระดับที่สามารถปลูกแซนด์วิชเจอร์เมเนียม npn ได้โดยตรงในการละลาย และมันก็ทำงานได้ตรงตามที่ Shockley คาดการณ์ไว้ นั่นคือสัญญาณไฟฟ้าจากวัสดุประเภท p จะปรับกระแสไฟฟ้าระหว่างตัวนำสองตัวที่เชื่อมต่อกับชิ้นส่วนประเภท n ที่อยู่รอบๆ
Morgan Sparks และ Gordon Teal ที่โต๊ะทำงานที่ Bell Labs
ทรานซิสเตอร์แบบแยกที่เติบโตขึ้นนี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าบรรพบุรุษที่มีการสัมผัสจุดเดียวในเกือบทุกด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความน่าเชื่อถือและคาดการณ์ได้มากกว่า ผลิตเสียงรบกวนน้อยกว่ามาก (ดังนั้นจึงมีความไวมากกว่า) และประหยัดพลังงานอย่างมาก โดยใช้พลังงานน้อยกว่าหลอดสุญญากาศทั่วไปถึงล้านเท่า ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 1951 Bell Labs ได้จัดงานแถลงข่าวอีกครั้งเพื่อประกาศสิ่งประดิษฐ์ใหม่ แม้กระทั่งก่อนที่ทรานซิสเตอร์ตัวแรกจะสามารถออกสู่ตลาดได้ มันก็กลายเป็นเรื่องที่ไม่เกี่ยวข้องไปแล้ว
และนี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น ในปีพ.ศ. 1952 บริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริก (GE) ได้ประกาศการพัฒนากระบวนการใหม่ในการผลิตทรานซิสเตอร์แบบแยกส่วน ซึ่งเป็นวิธีฟิวชัน ในกรอบการทำงาน มีอินเดียม (ผู้บริจาคประเภท p) สองก้อนถูกหลอมรวมกันบนทั้งสองด้านของเจอร์เมเนียมชนิด n ชิ้นบาง กระบวนการนี้ง่ายกว่าและราคาถูกกว่าการเพิ่มจุดเชื่อมต่อในโลหะผสม ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวให้ความต้านทานน้อยกว่าและรองรับความถี่ที่สูงกว่า
ทรานซิสเตอร์ที่เติบโตและหลอมรวม
ในปีต่อมา Gordon Teal ตัดสินใจกลับไปยังรัฐบ้านเกิดของเขาและเข้าทำงานที่ Texas Instruments (TI) ในดัลลัส บริษัทก่อตั้งขึ้นในชื่อ Geophysical Services, Inc. และเริ่มต้นผลิตอุปกรณ์สำหรับการสำรวจน้ำมัน TI ได้เปิดแผนกอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงสงคราม และตอนนี้กำลังเข้าสู่ตลาดทรานซิสเตอร์ภายใต้ใบอนุญาตจาก Western Electric (แผนกการผลิตของ Bell Labs)
Teal นำทักษะใหม่ๆ ที่ได้เรียนรู้ในห้องปฏิบัติการมาด้วย นั่นก็คือ ความสามารถในการเติบโตและ โมโนคริสตัลซิลิคอน จุดอ่อนที่ชัดเจนที่สุดของเจอร์เมเนียมคือความไวต่ออุณหภูมิ เมื่อสัมผัสกับความร้อน อะตอมของเจอร์เมเนียมในคริสตัลจะปล่อยอิเล็กตรอนอิสระออกมาอย่างรวดเร็ว และกลายเป็นตัวนำมากขึ้น ที่อุณหภูมิ 77 °C เครื่องหยุดทำงานพร้อมกันเหมือนทรานซิสเตอร์ เป้าหมายหลักในการขายทรานซิสเตอร์คือกลุ่มทหาร ซึ่งเป็นผู้บริโภคที่มีศักยภาพซึ่งมีความไวต่อราคาต่ำและมีความต้องการชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความเสถียร เชื่อถือได้ และกะทัดรัดอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เจอร์เมเนียมที่ไวต่ออุณหภูมิจะไม่มีประโยชน์ในการใช้งานทางการทหารหลายอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาการบินและอวกาศ
ซิลิคอนมีเสถียรภาพมากกว่ามาก แต่มีต้นทุนจุดหลอมเหลวที่สูงกว่ามาก ซึ่งเทียบได้กับเหล็กกล้า สิ่งนี้ทำให้เกิดความยากลำบากอย่างมาก เนื่องจากจำเป็นต้องใช้คริสตัลที่บริสุทธิ์มากเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์คุณภาพสูง ซิลิคอนหลอมเหลวร้อนจะดูดซับสิ่งปนเปื้อนจากเบ้าหลอมอะไรก็ตามที่อยู่ภายใน Teel และทีมงานของเขาที่ TI สามารถเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ได้โดยใช้ตัวอย่างซิลิคอนบริสุทธิ์พิเศษจาก DuPont ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 1954 ที่การประชุมของสถาบันวิศวกรรมวิทยุในเมืองเดย์ตัน รัฐโอไฮโอ ทีลได้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ซิลิกอนใหม่ที่ผลิตในห้องปฏิบัติการของเขายังคงทำงานต่อไปได้แม้ว่าจะแช่อยู่ในน้ำมันร้อนก็ตาม
การเริ่มต้นที่ประสบความสำเร็จ
ในที่สุด ประมาณเจ็ดปีหลังจากการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ครั้งแรก ทรานซิสเตอร์ก็สามารถทำจากวัสดุที่มีความหมายเหมือนกันได้ และระยะเวลาที่เท่ากันจะผ่านไปก่อนที่ทรานซิสเตอร์จะมีรูปร่างหน้าตาประมาณที่ใช้ในไมโครโปรเซสเซอร์และชิปหน่วยความจำของเรา
ในปี 1955 นักวิทยาศาสตร์ของ Bell Labs ประสบความสำเร็จในการเรียนรู้ที่จะสร้างทรานซิสเตอร์ซิลิคอนด้วยเทคโนโลยีโด๊ปแบบใหม่ แทนที่จะเพิ่มก้อนแข็งของสิ่งเจือปนลงในของเหลวที่ละลาย พวกเขานำสารเติมแต่งที่เป็นก๊าซเข้าไปในพื้นผิวแข็งของเซมิคอนดักเตอร์ (). ด้วยการควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และระยะเวลาของกระบวนการอย่างระมัดระวัง พวกเขาจึงสามารถบรรลุความลึกและระดับของการเติมสารที่ต้องการได้อย่างแน่นอน การควบคุมกระบวนการผลิตที่มากขึ้นทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้ดีขึ้น ที่สำคัญกว่านั้น การแพร่กระจายความร้อนทำให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์เป็นชุดได้ คุณสามารถใส่ซิลิคอนแผ่นใหญ่แล้วตัดเป็นทรานซิสเตอร์ได้ กองทัพได้จัดหาเงินทุนให้กับ Bell Laboratories เนื่องจากการจัดตั้งการผลิตจำเป็นต้องมีต้นทุนล่วงหน้าสูง พวกเขาต้องการผลิตภัณฑ์ใหม่สำหรับลิงก์เรดาร์เตือนภัยความถี่สูงพิเศษ (“") ซึ่งเป็นเครือข่ายสถานีเรดาร์อาร์กติกที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับเครื่องบินทิ้งระเบิดของโซเวียตที่บินจากขั้วโลกเหนือ และพวกเขายินดีจ่ายเงิน 100 ดอลลาร์ต่อทรานซิสเตอร์ 2000 ตัว (เป็นสมัยที่รถใหม่สามารถซื้อได้ในราคา XNUMX ดอลลาร์)
ผสมกับ ซึ่งควบคุมตำแหน่งของสิ่งเจือปน ได้เปิดความเป็นไปได้ในการกัดวงจรทั้งหมดบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์เดียว ซึ่ง Fairchild Semiconductor และ Texas Instruments คิดพร้อมกันในปี 1959 “" จาก Fairchild ใช้การสะสมทางเคมีของฟิล์มโลหะที่เชื่อมต่อหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ โดยไม่จำเป็นต้องสร้างการเดินสายแบบแมนนวล ลดต้นทุนการผลิต และเพิ่มความน่าเชื่อถือ
ในที่สุดในปี 1960 วิศวกรของ Bell Labs สองคน (John Atalla และ Davon Kahn) ได้นำแนวคิดดั้งเดิมของ Shockley มาใช้สำหรับทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ชั้นออกไซด์บาง ๆ บนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์สามารถยับยั้งสถานะของพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้สนามไฟฟ้าจากประตูอะลูมิเนียมทะลุเข้าไปในซิลิคอน ดังนั้นจึงเกิด MOSFET (ทรานซิสเตอร์สนามเอฟเฟกต์เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์) (หรือโครงสร้าง MOS จากโลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์) ซึ่งกลายเป็นเรื่องง่ายที่จะย่อขนาดและยังคงใช้ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่เกือบทั้งหมด (น่าสนใจ , Atalla มาจากอียิปต์ และ Kang มาจากเกาหลีใต้ และในทางปฏิบัติแล้ว มีเพียงวิศวกรสองคนนี้จากประวัติศาสตร์ทั้งหมดของเราเท่านั้นที่ไม่มีรากฐานมาจากยุโรป)
ในที่สุด สิบสามปีหลังจากการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ตัวแรก มีบางอย่างที่คล้ายกับทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์ของคุณปรากฏขึ้น มันง่ายกว่าในการผลิตและใช้พลังงานน้อยกว่าทรานซิสเตอร์แบบแยก แต่ค่อนข้างช้าในการตอบสนองต่อสัญญาณ มีเพียงการขยายตัวของวงจรรวมขนาดใหญ่ที่มีส่วนประกอบนับร้อยหรือหลายพันชิ้นที่อยู่บนชิปตัวเดียวเท่านั้นเองที่ทำให้ข้อดีของทรานซิสเตอร์แบบ field effect ปรากฏให้เห็น
ภาพประกอบจากสิทธิบัตรทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม
ผลกระทบจากสนามคือการสนับสนุนหลักครั้งสุดท้ายของ Bell Labs ในการพัฒนาทรานซิสเตอร์ ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รายใหญ่ เช่น Bell Laboratories (ร่วมกับ Western Electric), General Electric, Sylvania และ Westinghouse ได้สะสมงานวิจัยด้านเซมิคอนดักเตอร์ไว้เป็นจำนวนมาก ตั้งแต่ปีพ.ศ. 1952 ถึง พ.ศ. 1965 เฉพาะ Bell Laboratories ได้จดทะเบียนสิทธิบัตรมากกว่าสองร้อยฉบับในหัวข้อนี้ แต่ตลาดการค้าก็ตกไปอยู่ในมือของผู้เล่นรายใหม่อย่างรวดเร็ว เช่น Texas Instruments, Transitron และ Fairchild
ตลาดทรานซิสเตอร์ในยุคแรกนั้นเล็กเกินไปที่จะดึงดูดความสนใจของผู้เล่นหลัก: ประมาณ 18 ล้านเหรียญสหรัฐต่อปีในช่วงกลางทศวรรษ 1950 เทียบกับตลาดอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดที่มีมูลค่า 2 พันล้านเหรียญสหรัฐ อย่างไรก็ตาม ห้องปฏิบัติการวิจัยของยักษ์ใหญ่เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นค่ายฝึกอบรมโดยไม่ตั้งใจ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์สามารถซึมซับความรู้เกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ก่อนที่จะขายบริการให้กับบริษัทขนาดเล็ก เมื่อตลาดอิเล็กทรอนิกส์แบบหลอดเริ่มหดตัวลงอย่างมากในช่วงกลางทศวรรษ 1960 มันก็สายเกินไปสำหรับ Bell Labs, Westinghouse และบริษัทอื่นๆ ที่จะแข่งขันกับบริษัทที่พุ่งพรวด
การเปลี่ยนผ่านคอมพิวเตอร์เป็นทรานซิสเตอร์
ในช่วงทศวรรษ 1950 ทรานซิสเตอร์ได้บุกเข้ามาในโลกอิเล็กทรอนิกส์ในสี่ด้านหลัก สองรายการแรกเป็นเครื่องช่วยฟังและวิทยุแบบพกพา ซึ่งใช้พลังงานต่ำและส่งผลให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานเกินข้อควรพิจารณาอื่นๆ ประการที่สามคือการใช้ทางทหาร กองทัพสหรัฐฯ มีความหวังสูงว่าทรานซิสเตอร์จะเป็นส่วนประกอบที่เชื่อถือได้และกะทัดรัด ซึ่งสามารถนำมาใช้กับทุกสิ่งตั้งแต่วิทยุภาคสนามไปจนถึงขีปนาวุธ อย่างไรก็ตาม ในช่วงแรกๆ การใช้จ่ายกับทรานซิสเตอร์ดูเหมือนเดิมพันกับอนาคตของเทคโนโลยีมากกว่าการยืนยันถึงมูลค่าในขณะนั้น และสุดท้ายก็มีคอมพิวเตอร์ดิจิทัลด้วย
ในสาขาคอมพิวเตอร์ ข้อบกพร่องของสวิตช์หลอดสุญญากาศเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว โดยมีคนขี้ระแวงบางคนก่อนสงครามถึงกับเชื่อว่าคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถสร้างเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง เมื่อรวบรวมโคมไฟหลายพันดวงไว้ในอุปกรณ์เครื่องเดียว หลอดไฟเหล่านี้จะกินไฟฟ้า ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมหาศาล และในแง่ของความน่าเชื่อถือ เราทำได้เพียงอาศัยความเหนื่อยหน่ายตามปกติเท่านั้น ดังนั้นทรานซิสเตอร์พลังงานต่ำ เย็น และไม่มีเกลียวจึงกลายเป็นผู้ช่วยของผู้ผลิตคอมพิวเตอร์ ข้อเสียของมันในฐานะแอมพลิฟายเออร์ (เช่น เอาต์พุตที่มีเสียงดังกว่า) ไม่ได้เป็นปัญหาเมื่อใช้เป็นสวิตช์ อุปสรรคเพียงอย่างเดียวคือต้นทุน และในเวลาที่เหมาะสม ราคาก็จะเริ่มลดลงอย่างรวดเร็ว
การทดลองในอเมริกาในยุคแรกๆ ทั้งหมดกับคอมพิวเตอร์ที่มีทรานซิสเตอร์เกิดขึ้นที่จุดตัดระหว่างความปรารถนาของกองทัพในการสำรวจศักยภาพของเทคโนโลยีใหม่ที่มีแนวโน้มและความปรารถนาของวิศวกรที่จะเปลี่ยนไปใช้สวิตช์ที่ได้รับการปรับปรุง
Bell Labs สร้าง TRADIC ให้กับกองทัพอากาศสหรัฐฯ ในปี 1954 เพื่อดูว่าทรานซิสเตอร์จะทำให้คอมพิวเตอร์ดิจิทัลสามารถติดตั้งบนเครื่องบินทิ้งระเบิดได้หรือไม่ แทนที่ระบบนำทางแบบอะนาล็อกและช่วยในการค้นหาเป้าหมาย MIT Lincoln Laboratory พัฒนาคอมพิวเตอร์ TX-0 โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการป้องกันภัยทางอากาศที่ครอบคลุมในปี 1956 เครื่องจักรดังกล่าวใช้ทรานซิสเตอร์กั้นพื้นผิวอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลความเร็วสูง Philco ได้สร้างคอมพิวเตอร์ SOLO ภายใต้สัญญาของกองทัพเรือ (แต่จริงๆ แล้วเป็นไปตามคำร้องขอของ NSA) และเสร็จสิ้นในปี พ.ศ. 1958 (โดยใช้ทรานซิสเตอร์กั้นพื้นผิวอีกรูปแบบหนึ่ง)
ในยุโรปตะวันตก ซึ่งมีทรัพยากรน้อยกว่าในช่วงสงครามเย็น เรื่องราวแตกต่างออกไปมาก เครื่องจักรอย่างคอมพิวเตอร์ทรานซิสเตอร์แมนเชสเตอร์ (อีกชื่อหนึ่งที่ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงการ ENIAC และสะกดถอยหลัง) และภาษาออสเตรีย เป็นโปรเจ็กต์เสริมที่ใช้ทรัพยากรที่ผู้สร้างสามารถรวบรวมมารวมกันได้ รวมถึงทรานซิสเตอร์จุดเดียวรุ่นแรกด้วย
มีการถกเถียงกันมากมายเกี่ยวกับชื่อของคอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่ใช้ทรานซิสเตอร์ แน่นอนว่าทุกอย่างขึ้นอยู่กับการเลือกคำจำกัดความที่เหมาะสมสำหรับคำว่า "อันดับแรก" "ทรานซิสเตอร์" และ "คอมพิวเตอร์" ไม่ว่ายังไงเราก็รู้ว่าเรื่องราวจบลงที่จุดไหน การค้าคอมพิวเตอร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์เริ่มต้นขึ้นเกือบจะในทันที ปีแล้วปีเล่า คอมพิวเตอร์ในราคาเดียวกันมีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ และคอมพิวเตอร์ที่มีพลังงานเท่ากันก็มีราคาถูกลง และกระบวนการนี้ดูเหมือนจะไม่หยุดยั้งจนได้รับการยกระดับเป็นระดับกฎหมาย ถัดจากแรงโน้มถ่วงและการอนุรักษ์พลังงาน เราจำเป็นต้องโต้แย้งหรือไม่ว่ากรวดก้อนใดที่พังทลายลงก่อน?
กฎของมัวร์มาจากไหน?
เมื่อเราเข้าใกล้จุดสิ้นสุดของเรื่องราวของสวิตช์ ก็ควรถาม: อะไรทำให้เกิดการล่มสลายนี้เกิดขึ้น? เหตุใดกฎของมัวร์จึงมีอยู่ (หรือมีอยู่จริง - เราจะโต้แย้งเกี่ยวกับเรื่องนั้นอีกครั้ง) ไม่มีกฎของมัวร์สำหรับเครื่องบินหรือเครื่องดูดฝุ่น เช่นเดียวกับที่ไม่มีกฎสำหรับหลอดสุญญากาศหรือรีเลย์
คำตอบมีสองส่วน:
- คุณสมบัติทางตรรกะของสวิตช์ในฐานะหมวดหมู่สิ่งประดิษฐ์
- ความสามารถในการใช้กระบวนการทางเคมีเพียงอย่างเดียวเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์
ประการแรกเกี่ยวกับสาระสำคัญของสวิตช์ คุณสมบัติของสิ่งประดิษฐ์ส่วนใหญ่จะต้องเป็นไปตามข้อจำกัดทางกายภาพที่หลากหลาย เครื่องบินโดยสารจะต้องรองรับน้ำหนักคนจำนวนมากรวมกัน เครื่องดูดฝุ่นจะต้องสามารถดูดสิ่งสกปรกจำนวนหนึ่งจากพื้นที่ทางกายภาพในช่วงเวลาหนึ่งได้ เครื่องบินและเครื่องดูดฝุ่นจะไม่มีประโยชน์หากลดขนาดลงเหลือระดับนาโน
สวิตช์ ซึ่งเป็นสวิตช์อัตโนมัติที่ไม่เคยสัมผัสด้วยมือมนุษย์มาก่อน มีข้อจำกัดทางกายภาพน้อยกว่ามาก จะต้องมีสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะ และจะต้องสามารถสื่อสารกับสวิตช์อื่นๆ ที่คล้ายกันได้เมื่อสถานะเปลี่ยนแปลง นั่นคือทั้งหมดที่ควรทำคือเปิดและปิด มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์? เหตุใดสวิตช์ดิจิทัลประเภทอื่นจึงไม่มีการปรับปรุงแบบทวีคูณเช่นนี้
เรามาถึงข้อเท็จจริงที่สองแล้ว ทรานซิสเตอร์สามารถทำได้โดยใช้กระบวนการทางเคมีโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงทางกล ตั้งแต่เริ่มแรก องค์ประกอบสำคัญของการผลิตทรานซิสเตอร์คือการใช้สารเคมีเจือปน ต่อมาเป็นกระบวนการระนาบซึ่งขจัดขั้นตอนเชิงกลสุดท้ายออกจากการผลิต นั่นก็คือการติดสายไฟ เป็นผลให้เขากำจัดข้อจำกัดทางกายภาพสุดท้ายในการย่อขนาด ทรานซิสเตอร์ไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่พอสำหรับนิ้วของมนุษย์หรืออุปกรณ์กลไกใดๆ อีกต่อไป ทั้งหมดนี้ทำโดยใช้เคมีง่ายๆ ในขนาดที่เล็กเกินกว่าจะจินตนาการได้ เช่น กรดสำหรับกัดกรด แสงเพื่อควบคุมส่วนต่างๆ ของพื้นผิวที่จะต้านทานการกัดกรด และไอเพื่อนำสิ่งสกปรกและฟิล์มโลหะเข้าไปในรอยสลัก
เหตุใดการย่อขนาดจึงมีความจำเป็นเลย? การลดขนาดทำให้เกิดผลข้างเคียงที่น่าพึงพอใจทั้งกาแล็กซี: เพิ่มความเร็วในการเปลี่ยน ลดการใช้พลังงาน และต้นทุนในการทำสำเนาแต่ละชุด สิ่งจูงใจอันทรงพลังเหล่านี้ทำให้ทุกคนค้นหาวิธีที่จะลดจำนวนสวิตช์ลงอีก และอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้เปลี่ยนจากการผลิตสวิตช์ขนาดเท่าเล็บมือไปสู่การบรรจุสวิตช์หลายสิบล้านตัวต่อตารางมิลลิเมตรในช่วงชีวิตของคนคนเดียว จากการขอแปดดอลลาร์สำหรับสวิตช์หนึ่งตัวไปจนถึงการเสนอสวิตช์ยี่สิบล้านตัวต่อหนึ่งดอลลาร์
ชิปหน่วยความจำ Intel 1103 จากปี 1971 ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวซึ่งมีขนาดเพียงสิบไมโครเมตรจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาอีกต่อไป และตั้งแต่นั้นมาก็ลดลงอีกนับพันเท่า
มีอะไรให้อ่านอีก:
- Ernest Bruan และ Stuart MacDonald การปฏิวัติจิ๋ว (1978)
- ไมเคิล ไรออร์แดน และลิเลียน ฮอดเดสัน, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin อัจฉริยะที่แตกสลาย (1997)
ที่มา: will.com