>Mikroschemos išradimas. Lithuanian

Koks išradimas labiausiai pažymėtinas kompiuterinės elektronikos srityje? Gal tai John Ambrose Fleming’o¹⁾ (1894-1945) elektroninė lempa arba diodas (1904)?

Gal vis tik ne – o štai silicio naudojimas mikroschemų kūrimui yra ypač svarbus šiuolaikinei kompiuterių pramonei. Ir aplamai vargu ar lustą būtų buvę verta išrasti, jei ne jo potencialus panaudojimas kompiuteriuose, ir neabejotina, kad kompiuteriai vis taip neišplitę be jų. Ir tai atliko Robert Noyce²⁾ ir Jack Kilby³⁾.

Pirmieji kompiuteriai buvo milžiniški, nes juose naudojami pagrindiniai elementai (elektroninės lempos) buvo dideli, o visiems jungiamiesiems laidams reikėjo vietos. Pats dydis ribojo mašinos galią, nes tai buvo didžiulis tūris, reikalingas mašinai su daugybe elementų, o antra – laikas, per kurį signalai keliavo laidais. Ir tai buvo dvi svarbios priežastys, kodėl kompiuterio dydis turėjo būti sumažintas, kad jis taptų tikrai naudingas.

Tranzistorių panaudojimas buvo pirmuoju žingsniu link to. Tačiau tai labai mažai padėjo išspręsti jų sujungimo problemą. Galimybė sutalpinti daugiau elementų į tą pačią erdvę tiesiog padidino reikiamų jungčių skaičių. Kuo daugiau jų sutalpinai, tuo sparčiau jungčių skaičius didėjo – tai tapo žinoma kaip „skaičių tironijos“ problema, kurią reikėjo išspręsti.

Kai W. Shockley, vienas iš tranzistoriaus išradėjų, įkūrė įmonę (toje vietoje, kuri vėliau pavadinta Silicio slėniu), jis pasamdė geriausius žmones Robertas Noyce buvo taip įsitikinęs, kad yra tarp geriausių, jog prieš pokalbį dėl darbo išsinuomojo namą netoli įmonės! Jis ilgai neužsibuvo pas W. Shockley - 1958 m. su inžinierių grupe įkūrė savo „Fairchild“ (kiekvienas iš jų investavo po 500 USD į šią naują įmonę).

Maždaug tuo pat metu Jack Kilby buvo ką tik pradėjęs dirbti „Texas Instruments“ (kuri tikrai nebuvo Silicio slėnyje). Tuo metu TI bandė įsitvirtinti gynybos versle, ir vienas iš jų projektų buvo sukurti savotišką elektroninę „Lego“ kaladėlę – t.y., kad komponentai turėtų kažkokią standartinę jungtį, kad juos būtų galima įstatyti ir taip sukurti grandines.

Pagal TI politiką visi atostogauja tuo pačiu metu, bet J. Kilby dar nebuvo dirbęs pakankamai ilgai, kad turėtų teisę į atostogas, todėl jis dirbo toliau. Jis žinojo, kad kitiems pasibaigus atostogoms, jis dirbs toliau prie mikromodulių projekto, ir nemanė, kad tai pasiteisins. Taigi jis pabandė rasti alternatyvą.

Jack Kilby Anksčiau Kilby dalyvavo projekte, siekusiame sudėti komponentus ant keraminio pagrindo, tad, galbūt, tai buvo kibirkštis, įžiebusi gerą idėją – viską pagaminti ant vieno silicio gabalo. Mums, žvelgiant atgal, tai neatrodo taip labai neįtikėtina, tačiau taip yra todėl, kad mes neturime išankstinio nusistatymo, kad kiekvienam komponento tipui reikia naudoti skirtingas medžiagas. Anglis buvo naudojama rezistorių, keramika ir metalas – kondensatorių, varis – jungiamųjų laidų ir induktorių, o germanis arba silicis – tranzistorių gamybai. Mintis bandyti viską pagaminti iš germanio, arba tuo metu dar naujo silicio, atrodė šiek tiek kvaila. Bet J. Kilby suprato, kad tai įmanoma. Pradžia buvo silicio rezistorius (nelegiruota silicio juostelė), tada silicio kondensatorius – atvirkštinės poliarizacijos diodas. Idėjos grožis buvo tas, kad visi komponentai galėjo būti pagaminti ant to paties puslaidininkinės medžiagos sluoksnio su tranzistoriais ir laidais.

Pasibaigus TI atostogoms, J. Kilby gavo leidimą išbandyti šią idėją – bet tik po to, kai įrodė, kad kiekvieną iš jo aprašytų komponentų iš tiesų įmanoma pagaminti. Dirbdamas vienas, jis rankomis išdrožė silicio gabalėlį, kad pagamintų rezistorių, ir panaudojo standartinę PN sandūrą, kad įrodytų, jog kondensatorius veikia. Kitas žingsnis buvo viską pagaminti viename luste. Medžiaga buvo germanis, o vidinės jungtys tarp komponentų buvo sujungtos rankomis pritvirtintomis auksinėmis vielutėmis. Taip buvo sukurta pirmoji veikianti integrinė grandinė, fazės poslinkio osciliatorius, kuri atrodė kaip miniatiūrinis paukščio lizdas... - bet ji veikė!

Tuo tarpu R. Noyce prie vieno lusto sprendimo privalėjo prieiti anksčiau, juk jo firma „Fairchild“ gamino tranzistorius jau moderniu būdu – didelė plokštelė, abiejose pusėse difuzuojama, kad būtų sukurta PNP arba NPN struktūra. Tada plokštelė būdavo supjaustyta, prie sluoksnių prijungti laidai ir kiekvienas fragmendas uždengiamas apsauginiu apvalkalu. Laidais sujungti tranzistorius ant plokštelės turėjo kilti anksčiau, bet tai jau būtų dar vienas žingsnis į priekį.

Jean Hoerni⁴⁾, dar vienas „Fairchild“ bendrakūrėjų, sugalvojo plokštuminio tranzistoriaus idėją – plokščią PNP sandūrą, izoliuotą nuo išorinio pasaulio silicio dioksido sluoksniu. Plokštuminis tranzistorius buvo išrastas siekiant išspręsti užterštumo problemas, tačiau R. Noyce pradėjo galvoti apie tai, kaip ant izoliacinio sluoksnio būtų galima uždėti metalines juosteles, kad būtų sujungti atskiri plokštuminiai tranzistoriai.

Išradęs jungimo būdą, jis ėmė galvoti apie rezistorius ir kondensatorius ir nustatė, kad visa tai įmanoma sudėti ant vieno silicio gabalo. Jis 6 mėn. atsiliko nuo J. Kilby, bet jo idėjos versija buvo, ko gero, pilnesnė. Jis nubraižė viename luste įmontuoto sumatoriaus projektą – tik po kelerių metų technologija galėjo pasiekti tokį lygį. Jo sukurta integralinės schemos koncepcija iš esmės yra tokia, kokia naudojama ir šiandien, ir visiškai nepanaši į šiek tiek keistoką Kilby „paukščio lizdą“, suraizgytą iš laidų. Oscilatorius

Bet čia prasidėjo teisinės vingrybės. Tiek „Texas Instruments“, tiek „Fairchild“ pateikė patentų paraiškas, ir tarp jų prasidėjo ilgas teisinis ginčas. Vienas iš pagrindinių ginčo taškų buvo jungiamųjų laidų naudojimas Kilby schemoje – ar tai tikrai buvo tikra integrinė schema? Kilby suprato problemą dar pateikiant patentą ir todėl pridėjo keletą eilučių apie galimybę naudoti bet kokį sujungimo būdą, pvz., aukso takelius, nutiestus ant izoliacinio silicio dioksido sluoksnio. Iš kur kilo ši papildoma idėja, nežinoma, tačiau ji neabejotinai sudėtingumu priartino Kilby lustą prie Noyce lusto.

Patentų teisininkai teigė, kad Kilby prierašas neveiks, nes auksas neprilips prie silicio dioksido, ir pasitelkė ekspertus, kad pabandytų paneigti Kilby dizainą. Iš pradžių patentas buvo suteiktas Kilby, (tiksliau, „Texas Instruments“), tačiau tada apeliacinis teismas, maždaug po 10 m., 1966 m., panaikino sprendimą ir suteikė patentą Noyce (kitaip tariant, „Fairchild“).

Bet tuo metu tai jau neturėjo jokios reikšmės, nes abi įmonės buvo susitarusios pasidalyti rinką tarpusavyje. Kiekviena iš jų ėmė 2–4% autorinį atlyginimą, kuris galiausiai joms uždirbo apie 100 mln. USD. Sakau „galiausiai“, nes kai abi įmonės 1959 m. paskelbė apie šią techniką, pirkėjų buvo nedaug. Priežastis buvo palyginti didelė mažo komponentų skaičiaus lustų, kuriuos buvo galima pagaminti, kaina. Pigiau buvo pagaminti tokius pačius iš atskirų komponentų.

Keista, bet ne pagrindinė kompiuterių pramonė sukūrė integralinių schemų rinką - tai padarė kosmoso lenktynių ir karinės elektronikos derinys, kur reikėjo mažo svorio ir patikimumo mikroschemų bet kokia kaina. Kainai krintant ir komponentų skaičiui didėjant, ši tendencija tebetęsia ir dabar. Pirmiausia didžiuosiuose kompiuteriuose pradėtos naudoti pakaitinės spausdintinės plokštės, naudojant lustus vietoj tranzistorių, o vėliau buvo sukurti kompiuteriai su visaverte integrine grandine. Po to atsirado minikompiuteris (skaitykite >>>>>), o tada mikrokompiuteris, - ir mes vis dar laukiame, kuo visa tai baigsis (negi galiausiai kvanktelės ir kvantiniai kompiuteriai).

Nepriklausomai nuo patentinių ginčų baigties jie abu laikomi mikroschemos išradėjais ir buvo apdovanoti JAV Nacionaliniu medaliu mokslo srityje. J. Kilby dar kurį laiką dirbo TI, o kitas svarbus jo projektas buvo pirmojo kišeninio skaičiuotuvo sukūrimas. Kilby ir jo komanda pirmiausia atliko atvirkštinę esamų stalinių skaičiuotuvų inžineriją, kad pamatytų, kaip jie veikia, o tada sukūrė savo lustus, kurie atliktų tą patį darbą. Kartu jie taip pat sukūrė pirmąjį LED ekraną ir pirmąjį terminio spausdinimo mechanizmą. Rezultatas („Data-Math) buvo parduotas už 149,50 USD. Kilby gavo kišeninio skaičiuotuvo patentą. „Texas Instruments“ jis paliko 1970 m., kad dirbtų kaip nepriklausomas išradėjas. Nors jis surinko nemažai patentų, atrodo, kad nė vienas iš jų nepadarė jo turtingingesniu ar garsesniu.

7-ojo dešimtm. viduryje R. Noyce vis labiau nusivylė „Fairchild“ ir 1968 m. iėjo kartu su Gordon Moore, kad įkurtų „Intel“. Jų idėja buvo kurti lustus silicio pagrindu - ir mes jau žinome, kuo tai baigėsi!

Turbūt keisčiausias istorijos posūkis yra tas, kad R. Noyce pavedė naujo stalinio skaičiuotuvo lustų projektavimo užduotį „Busicom“ inžinieriui Ted Hoff’ui. Šiam pavyko sutalpinti logiką į vieną lustą ir taip sukurti pirmąjį pasaulyje mikroprocesorių. Bėda buvo ta, kad „Busicom“ kompiuterį iš rinkos išstūmė pigesnis J. Kilby kišeninis modelis ir jo vėlesni klonai. Dėl to „Busicom“ negalėjo sumokėti „Intel“ už projektavimo darbus, todėl teisės į lustą grįžo „Intel“, kuri nedelsdama jį pateikė į pardavimą kaip Intel 4004 procesorių – visos 80x86 procesorių linijos pirmtaką.

R. Noyce vis labiau niro į vadovaujančias pareigas, tačiau širdyje visada išliko technologijų entuziastu. Vis dėlto kai kuriuos jo finansinius sprendimus verta paminėti. Jis perspėjo savo žmoną neinvestuoti į įmonę „be ateities“ „Kupertine“, t.y. „Apple“, o tada investavo pinigus į „Osborne“ kompiuterius, kurie pagamino pirmąjįvnešiojamąjį, lengvai transportuojamą kompiuterį ir greitai bankrutavo. Tačiau juk „Intel“ prezidentas galėjo sau leisti retkarčiais padaryti nedidelių klaidelių, ar ne?!

¹⁾ Džonas Flemingas (John Ambrose Fleming, 1849-1945) – britų fizikas ir elektronikas, žinomas lempinio radijo siųstuvo sukūrimu (1901), kuriuo atliktas pirmasis transatlantinis ryšys. Jis sukūrė ir pirmąją elektroninę lempą arba ksenotroną (1904). 1906 m. Li de Forestas ją papildė valdančiuoju tinkleliu ir sukūrė radijo bangų detektorių (audioną). Šį patobulino E. Armstrongas, pavadintą triodiu pritaikė stiprintuvui. Be to, Dž. Flemingas pasiūlė dešinės rankos taisyklę, naudojamą matematikoje, elektronikoje ir fizikoje. Buvo labai pamaldus krikščionis ir laikėsi kreacionistinių pažiūrų.

²⁾ Robertas Noisas (Robert Norton Noyce, 1927-1990) – amerikiečių fizikas ir verslininkas, pravardžiuotas „Silicio slėnio meru“, 1957 m įkūręs „Fairchild Semiconductor“ ir „Intel“ – 1968-ais. Jam priskiriamas monolitinės mikroschemos (lusto) sukūrimas 1953 m. baigęs MIT, 1956-57 m. dirbo „Shockley Semiconductor Laboratory“, tačiau iš jos išėjo ir įkūrė savo „Fairchild Semiconductor“. Vėliau 1968 m. kartu su G. Muru įkūręs „Intel“, po 2 m. išleido Intel 1103, pirmąją komercinę DRAM mikroschemą. 1988 m. tapo tyrimų konsorciumo „Sematech“ prezidentu. Jam priklauso 15-a patentų. Mirė nuo infarkto.

³⁾ Džekas Kilbis (Jack St. Clair Kilby, 1923-2005) – amerikiečių elektronikas, Nobelio premijos laureatas (2000), kartu su R. Noisu laikomas integralinės schemos išradėjais (1958). Taip pat sukūrė kišeninį kalkuliatorių ir termospausdintuvą (1967). Taip pat turi dar 7-ių išradimų patentus. 1970 m. palikęs „Texas Instruments“ (kur įsidarbino 1958-ais) dirbo, be kitų darbų, su silicio technologijomis Saulės elektroenergetikoje. 1978-84 m. buvo Texas A&M un-to profesoriumi.

⁴⁾ Žanas Hoernis (Jean Amedee Hoerni, 1924-1997) – šveicarų kilmės amerikiečių inžinierius, vienas iš silicio tranzistorių pradininkų, „klastingusios aštuoniukės“ narys, sukūręs plokštuminio proceso (1959) technologiją skaičiavimo technikos srityje. Į JAV persikėlė 1952 n. pradėjęs dirbti CalTech’e laboratorijoje pas V. Šoklį. Tačiau po kelių metų keistas Šoklio elgesys privertė vadinamąją „klastingąją aštuoniukę“ palikti jį ir įkurti „Fairchild Semiconductor“. 1961 m. kartu su keliais įkūrė „Amelco“ (dabar „Teledyne“). Galiausiai 1967 m. įkūrė „Intersil“, kur tapo žemos įtampos CMOS schemų pionieriumi. Buvo aistringas alpinistas.

Poezija ir skaitiniai
Filosofijos sritis
HOT.LT svetainė
Vartiklis