Транзисторная революция: Транзисторная революция второй половины XX в. на фоне холодной войны — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

транзисторная революция по закону Мура

Компания Intel совместно с партнерами отметила в Украине юбилей действия закона Мура. 50 лет назад Гордон Мур предусмотрел зависимость, согласно которой количество транзисторов, содержащихся в микросхемах, должно удваиваться каждые 2 года. Полвека следования этому закону принесли фантастические результаты, плодами которых мы пользуемся ежедневно.

Делая небольшой исторический экскурс, региональный директор Intel в странах СНГ и России, Дмитрий Конаш, отметил, что точкой отсчета действия закона Мура принято считать 19 апреля 1965 года.

В этот день была опубликована статья автора в журнале Electornics. Это был результат анализа динамики развития полупроводниковой промышленности за несколько лет, которые прошли с момента появления первой интегральной микросхемы. Согласно первоначальному утверждению Мура, количество транзисторов, которое содержится в одном чипе, будет удваиваться каждые 12 месяцев. Именно такой темп технологического развития позволяет увеличивать производительность и возможности микросхем, сохраняя экономическую целесообразность.

В каждый момент времени есть некое оптимальное соотношение количества транзисторов, содержащихся в микросхеме и стоимости изготовления такого чипа. Можно было бы увеличить количество транзисторов, но в этом случае значительно возрастала бы цена производства, а при уменьшении их числа – снижалось бы быстродействие (условно). Изначально прогноз делался на ближайшие 10 лет, то есть до 1975 года. Спустя десятилетие после некоторых поправок, уточненная версия закона предполагала последующее удвоение числа транзисторов каждые 24 месяца. Такая формулировка остается актуальной и до настоящего момента.

Следуя закону Мура, полупроводниковая промышленность развивалась колоссальными темпами. В 1971 году был представлен первый микропроцессор Intel 4004, который содержал 2300 транзисторов и производился по технологии 10 мкм (10 000 нм). Спустя почти 45 лет, процессор Intel Core i7 включает порядка 1,3 млрд. транзисторов, при этом для изготовления кристаллов используется 14-нанометровый техпроцесс. За прошедшее время производительность увеличилась примерно в 3500 раз, а энергоэффективность – в 90 000 раз. При этом стоимость процессоров изменилась незначительно.

Очень важно не только уменьшать размер транзисторов и увеличивать их количество в одной микросхеме, необходимо также создать условия, при которых производить такие кристаллы будет выгодно с экономической точки зрения. Один из способов этого добиться – увеличение диаметра кремниевых пластин.

Большие пластины позволяют повысить выход годных кристаллов, улучшая себестоимость изготовления процессоров. В 1975 году при производстве использовались 100-миллиметровые пластины, сейчас активно применяются пластины диаметром 300 мм. В 2017-ом начнется переход на 450-миллиметровые. Каждое последующее увеличение диаметра пластин требует очень серьезных финансовых затрат.

Ведущим мировым производителям приходится действовать сообща, организовывая консорциумы, чтобы снизить расходы на разработку и внедрение соответствующего оборудования.

Увы, не все компании могут выдерживать высокие темпы развития микроэлектроники. С каждым последующим совершенствованием технологии производства, на мировом рынке остается все меньшее количество активных игроков, которые могут предложить полный производственный цикл – разработка архитектуры и самой микросхемы, подготовка технологического обеспечения и непосредственно производство кремниевых кристаллов. Переход на очередной техпроцесс – это миллиардные инвестиции, которые должны окупиться за определенный промежуток времени. При нынешнем темпе развития это всего 2–3 года. Intel – одна из немногих компаний, которой удается выдерживать подобную цикличность.

Сколько еще будет актуален закон Мура для индустрии полупроводников? Очевидно, что бесконечно подобные итерации повторяться не могут. В 2005 году сам Гордон Мур предполагал, что закон будет работать примерно до 2015 года. Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов будет вступать в противоречие с фундаментальными законами физики. Но, как мы видим, предложенный принцип все еще остается актуальным. Intel предлагает свои решения в рамках 14-нанометрового техпроцесса, готовится к переходу на 10 нм, уже ведутся работы над 7-нанометровой технологией изготовления кристаллов. То есть в ближайшей перспективе, в пределах как минимум пяти лет, закон Мура будет по-прежнему работать.

Директор Intel в Украине, Дмитрий Калита, не без доли иронии отметил, что уже множество раз предрекали окончание действия закона Мура, как и неоднократно говорили о забвении ПК. Но, реалии таковы, что закон Мура действует, а ПК в свою очередь, жив и постоянно трансформируется.

Изменяются модели использования вычислительных системы и их формы, однако потребности в подобных устройствах только возрастают. Мы сейчас находимся на пороге взрывного роста носимых компьютеров, очевидно приближение эры Internet Of Things (IoT).

Даже в сегменте привычных десктопов за последние несколько лет происходят большие изменения.

Intel вскоре представит новые мобильные и десктопные платформы с процессорами на базе архитектуры Intel Core 6-го поколения. 14-нанометровые чипы Skylake будут иметь еще более высокую производительность вычислительных блоков и интегрированной графики.

Мобильная платформа предложит расширенные возможности беспроводной передачи данных. Технология WiGig упростит подключение периферии и позволит без задержек передавать изображение на широкий экран. Ключевой особенностью систем на базе Skylake также станет возможность беспроводной зарядки. Технология Rezence, в основе которой положен принцип магнитного резонанса, позволит пополнять заряд аккумулятора, не подключая систему к электрической розетке. Ожидается, что с выходом новых платформ массовое распространение получат системы, оснащенные камерами с поддержкой Intel RealSense.

Возвращаясь к тонким материям, специалист по применению решений Intel, Сергей Шевченко, отметил, что еще 10 лет назад следование закону Мура предполагало линейное уменьшение размеров транзисторов.

Однако в какой-то момент разработчики столкнулись с трудностями, вызванным фундаментальными законами физики. Приближаясь к атомарным размерам, двигаться дальше теми же темпами и способами не представляется возможным.

Intel приходится идти на всевозможные технические ухищрения для дальнейшей миниатюризации полупроводниковых элементов. Технология напряженного кремния, использование металлических затворов и материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (High-K), применение 3D-транзистров Tri-Gate, многослойная компоновка 3D NAND для микросхем флеш-памяти. Все эти способы позволяют двигаться дальше не пути технологического прогресса. Он не всегда заметен на первый взгляд, однако результаты, которых удалось достичь за сравнительно небольшой период времени иногда впечатляют. Например, компания Cray в 1985 году потратила $17 млн. на создание суперкомпьютера, который сегодня уступает по производительности нынешним смартфонам. Любопытен и факт, что быстродействие процессора, используемого для «марсохода» Curiosity в 4 раза меньше, чем у чипа современного смартфона.

По словам самого Гордона Мура: «Ничто не может вечно изменяться по экспоненте. Наша работа состоит в том, чтобы максимально продлить этот процесс». Intel уже в течение 50 лет удается следовать закону одного из основателей компании. За этот период на рынке микроэлектроники произошли фантастические изменения. По какому пути в дальнейшем будет развиваться индустрия полупроводников, мы узнаем через некоторое время. Интрига сохраняется.

Транзистор приходит на смену радиолампе, история радио в СССР

Вскоре после окончания второй мировой войны страницы журналов всего мира облетело сенсационное сообщение об изобретении новой «радиолампы», которая не требует вакуума и нити накала.

Транзисторная революция

Новый усилительный прибор отличался чрезвычайно малыми размерами, высокой экономичностью и обещал иметь во много раз больший срок службы, чем обычные радиолампы. Основной частью этого прибора была маленькая пластинка, вырезанная из кристалла полупроводникового материала.

Так, в период бурного расцвета электронной техники, когда радиолампы успели уже пройти большой путь технического развития и стать весьма совершенными приборами, прочно вошедшими в современную технику, началась вторая молодость полупроводниковых усилителей.

Совсем в иных условиях проходила их первая жизнь. Начало 20-х годов. Предпринимаются первые попытки организовать радиовещание и дальнюю радиосвязь. Хотя радиолампа известна человечеству уже около 20 лет, слабое развитие электровакуумной техники и радиотехнической промышленности все еще заставляет широко пользоваться искровыми передатчиками и искать другие приборы для генерирования, обнаружения и усиления радиосигналов.

И вот сотрудник Нижегородской лаборатории О. В. Лосев совершает открытие, известие о котором лихорадочно перепечатывают все иностранные радиожурналы: генерировать и усиливать может не только сложная в изготовлении вакуумная радиолампа, но и простой кристаллический детектор!

Приемники Лосева — «кристадины» (рис. 1) —воспроизводятся в Европе и Америке, строятся прогнозы о скором вытеснении радиоламп кристаллами.

Однако недостаточность научных знаний об электрической природе кристаллов, слабое развитие лабораторной техники не позволили в то время глубоко исследовать процессы, происходящие в полупроводниках, и создать надежные высокоэффективные, не уступающие радиолампам полупроводниковые усилительные приборы.

По мере дальнейшего совершенствования электронных ламп кристадин уступает место ламповым приемникам и уже к концу 20-х годов теряет практическое значение.

Рис. 1. Кристадин Лосева — первый радиоприемник, использовавший полупроводниковый усилитель (1922 г.).

30-е годы явились триумфальным шествием электронной лампы. Благодаря успехам электронной техники стали реальностью и «газета без бумаги и без расстояний» и массовое радиовещание, звуковое кино и телевидение, радиолокация и радиоастрономия, современные быстродействующие системы автоматики и телеуправления, радионавигация и электронные вычислительные машины, ультразвуковая техника и управление ядерными реакциями.

И чем более широкое применение находят электронные лампы, тем острее начинают проявляться некоторые принципиальные недостатки, свойственные им.

Еще в период второй мировой войны выявилась недостаточная надежность военной радиоаппаратуры, причем основная масса отказов была связана с неисправностью радиоламп.

Широкое распространение радиовещательных приемников и телевизоров вскрывает другой серьезный недостаток современных радиоламп — их низкую экономичность.

Развитие электронных вычислительных машин и других специальных устройств, включающих в себя тысячи радиоламп, выдвигает жесткие требования как к надежности и сроку службы ламп, так и к экономичности питания и минимальным размерам их.

Еще в 40-х годах наблюдается стремление в ряде случаев переложить некоторые функции радиоламп на приборы других классов (рис. 2): кенотроны начинают заменяться селеновыми выпрямителями, вместо детекторных и смесительных ламп начинают применяться кремниевые и германиевые диоды с постоянной рабочей точкой.

Конечно, эти приборы способны решать лишь узкие специфические задачи и не могут серьезно конкурировать со всем классом электронно-вакуумных приборов. Основным универсальным усилительным и генераторным прибором остается радиолампа.

Рис. 2. Новые типы приборов — на смену радиолампам приходят полупроводники.

С 40-х годов радиолампы начинают вытесняться полупроводниковыми приборами. Сейчас осталась только одна область, в которой лампа еще не может быть заменена: генерирование и усиление больших мощностей на высоких частотах.

Но вот параллельно с прогрессом электронной техники, а в значительной мере и благодаря ему расширяются и углубляются представления человека о природе материи: развивается электронная теория металлов, обогащающая наши представления о физике металлических проводников и механизме их электропроводности; квантовая механика проливает новый свет на свойства электрона и его взаимодействие с другими частицами.

Наконец, появляется зонная теория, которая позволяет объяснить свойства совершенно различных веществ — диэлектриков, проводников и полупроводников — с одной позиции: с точки зрения возможных энергетических состояний электрона.

В ходе этого прогресса науки удается не только объяснить многие непонятные прежде явления, но и вскрыть новые свойства материи, подчинить эти свойства воле человека.

Этими достижениями и была подготовлена вторая жизнь полупроводниковых усилителей. Человек научился сознательно управлять движением электрона не только в вакууме, но и в толще кристалла, где электрон находится в непрерывном взаимодействии с другими частицами.

В 1948 г. американцами Джоном Бардиным и Вальтером Браттейном был изготовлен первый трехэлектродный усилительный прибор, основанный на использовании особых свойств контактов с кристаллом полупроводника, — так называемый «точечный» транзистор.

Дальнейшее развитие транзисторов

Открытие нового усилительного прибора, не требовавшего вакуума и нити накала, имевшего чрезвычайно малые размеры (рис. 3) и обладавшего большим сроком службы (рис. 4), было теперь как нельзя кстати.

Рис. 3. Важнейшим преимуществом транзистора перед лампой являются его малые размеры и вес.

И, несмотря на то, что по своим усилительным свойствам первый транзистор с трудом шел в сравнение с современными радиолампами, за его усовершенствование сразу же взялся большой отряд специалистов.

Рис. 4. Срок службы транзистора может достигать сотен тысяч часов.

Вильям Шокли в короткий срок разработал теорию транзисторов и изобрел новый, более совершенный тип их — так называемый «плоскостной» транзистор.

Существенный вклад в теорию и технику полупроводников внесли и советские специалисты: академики А. Ф. Иоффе, Б. М. Вул и И. Е. Тамм и многие другие специалисты, в том числе предвосхитивший в своей предвоенной работе основные идеи теории Шокли Б. И. Давыдов.

Первым транзисторам были свойственны серьезные недостатки: высокий уровень шумов, ограниченный диапазон рабочих частот, сильная зависимость электрических параметров от температуры, ограниченная мощность.

Многие из них являлись детскими болезнями молодой техники и уже успешно преодолены. Становится все яснее, что в лице транзистора старая электронная лампа встречает серьезного конкурента.

За короткий срок предельные рабочие частоты транзисторов выросли от нескольких сотен килогерц до тысячи мегагерц. Наряду с маломощными приборами уже созданы транзисторы, обеспечивающие выходную мощность до 100 вт и выше.

Появились полупроводники, способные работать при температурах выше 1 000° С. Резко снижен уровень собственных шумов транзисторов. Сейчас самые низкошумящие усилители часто удается создавать именно на транзисторах, а не на лампах.

Что же касается миниатюрности, механической прочности и экономичности, то в этих вопросах пальма первенства безраздельно принадлежит транзисторам с момента их изобретения.

В ряде применений лампа уже неспособна конкурировать с транзистором. Это прежде всего слуховые аппараты, размеры и вес которых при переходе к транзисторам уменьшились в 5—20 раз, а потребление энергии сократилось в 20—50 раз.

Затем — это карманные приемники (рис. 5), проблему которых с помощью радиоламп удовлетворительно решить не удалось вообще.

Рис. 5. Наибольший эффект дает применение транзисторов в портативной переносной радиоаппаратуре.

Успешно продвигается внедрение транзисторов в вычислительные машины, в аппаратуру, предназначенную для длительной работы без контроля человека, например промежуточные усилители в системах дальней связи, где требуются высокая надежность, экономичность и большой срок службы.

Весьма эффективно применение транзисторов в искусственных спутниках земли и космических станциях, где их преимущества перед лампой проявляются особенно сильно.

В настоящее время промышленностью выпускаются транзисторы, предназначенные для решения следующих задач (рис. 6).

Рис. 6. Внешний вид транзисторов эпохи СССР. а—для усиления малых сигналов низкой частоты; б—то же высокой частоты; в—мощные низкочастотные транзисторы.

Универсальные маломощные транзисторы

Типичными представителями, этой группы являются плоскостные германиевые транзисторы типов П13—П15, П8—П11 и кремниевые типов П101—П103.

Это высокоэкономичные усилительные приборы малых размеров, позволяющие успешно усиливать и генерировать сигналы низких и умеренно высоких частот (до 500—1 000 кгц).

Один каскад усиления с таким транзистором способен обеспечить усиление мощности сигнала до 30 000 раз. Максимальная выходная мощность в однотактной схеме достигает 10—30 мВт.

Для нормальной работы этих транзисторов требуется питание током до 1 ма при напряжении в несколько вольт, но усилительные свойства проявляются и при существенно меньших мощностях питания, совершенно немыслимых для обычных радиоламп, например, при токе 10 мкА и напряжении 0,2 в.

Мощные низкочастотные транзисторы

Эта группа включает в себя плоскостные транзисторы, предназначенные специально для оконечных и мощных предоконечных каскадов низкочастотных усилителей.

Они также успешно применяются в преобразователях постоянного тока, повышающих напряжение от единиц и десятков до сотен и даже тысяч вольт, в усилителях, работающих на исполнительные механизмы (реле, двигатели), генераторах низкой частоты (до нескольких десятков килогерц), стабилизаторах напряжения и импульсных схемах при умеренных частотах.

К этой группе приборов относятся транзисторы типов П4, П201—П203, П207—П210. Эти транзисторы обеспечивают выходную мощность от единиц ватт (П201) до сотен ватт (П207—П208).

Высокочастотные маломощные транзисторы

Несмотря на то, что сначала наиболее высокочастотными транзисторами считали точечные, развитие методов изготовления плоскостных транзисторов привело к полному вытеснению точечных.

В настоящее время наиболее высокочастотными приборами являются особые разновидности плоскостных транзисторов, среди которых основная роль принадлежит транзисторам, изготавливаемым методом диффузии примесей из газовой среды (так называемые «диффузионные» транзисторы).

Высокочастотные плоскостные транзисторы пригодны для усиления и генерирования сигналов с частотой от единиц мегагерц (П12) до сотен мегагерц (П410, П411). Эти транзисторы оказываются также прекрасными приборами для быстродействующих импульсных схем и широкополосных усилителей.

Мощные высокочастотные транзисторы

В основе создания высокочастотных транзисторов лежит миниатюризация геометрии рабочих элементов. Это в свою очередь приводит к утяжелению теплового режима транзистора и ограничивает допустимые мощности.

В связи с этим долгое время не удавалось создать мощный высокочастотный транзистор. Однако интенсивные исследования уже дали первые положительные результаты и в этом направлении. Из литературы известно о создании кремниевых диффузионных транзисторов, развивающих на частотах 100 Мгц мощность в несколько Ватт.

Несмотря на то, что пути дальнейшего резкого увеличения мощности высокочастотных транзисторов еще неясны, уже созданный ассортимент полупроводниковых приборов является мощным средством совершенствования радиоэлектронной аппаратуры.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.

История транзистора по адресу 75

В Nokia Bell Labs до сих пор хранится первый транзистор, изобретенный в 1947 году. Вот Дэвид Бранкаччио держит его в кампусе компании в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Alex Schroeder/Marketplace

The Transistor at 75

Дэвид Бранкаччо и Алекс Шредер 12 декабря 2022 г.

Слышно:

В Nokia Bell Labs до сих пор хранится первый транзистор, изобретенный в 1947 году. Вот Дэвид Бранкаччио держит его в кампусе компании в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Алекс Шредер/Marketplace

Слушайте сейчас

Поделитесь сейчас на:

HTML EMBED:

HTML EMBED Загрузить

Будущее началось 75 лет назад на этой неделе с изобретением чего-то небольшого, что считается самым производимым предметом в истории человечества. Скорее всего, вы окружены ими прямо сейчас.

Транзистор родился в декабре 1947 года в Нью-Джерси и определил последнюю половину 20 века и первую четверть 21 века. Мы изучаем культуру инноваций, которая принесла нам устройство, изменившее все.

Осмотрите комнату. Вам будет трудно найти гаджет или штуковину в пределах досягаемости, которая не содержит транзистора. Практически вся электроника ими полна.

Наш информационный и коммуникационный мир в долгу перед командой физиков, которые взяли на вооружение теории, отработанные десятилетиями, и — после многих лет неудачных стартов и тупиков — в начале послевоенной эры заработали первый транзистор.

Ответственными за это были Уолтер Браттейн и Джон Бардин из Bell Telephone Laboratories.

В этом видео Браттейн читает со страницы 197 своей первой лабораторной тетради, рассказывая о демонстрации, которую они провели для старших коллег. «Эта схема действительно обсуждалась. А при включении и выключении устройства отчетливое усиление уровня речи можно было услышать и увидеть на презентации прицела без заметного изменения качества».

Слева направо стоят физики Bell Labs Джон Бардин и Уолтер Браттейн в 1948 году. Между ними сидит их менеджер Уильям Шокли. Все трое получили Нобелевскую премию в 1956 за работу над транзистором. (Nokia USA Inc. и AT&T Archives)

Этот транзистор был приспособлением, в котором использовался осколок камня: германий, элемент, который не является электрическим проводником, как медь, и не является изолятором, как резина. Это нечто среднее — полупроводник.

Начальник Браттейна и Бардина, Уильям Шокли, был настолько зол, что не понял этого сам, что всего месяц спустя в судорогах творчества Шокли придумал улучшенную, более простую в производстве версию транзистора. Все трое получат Нобелевскую премию за эти инновации.

«Это позволило этой глобальной цивилизации», — сказал Майкл Риордан, физик и историк науки. Он является соавтором книги Лилиан Ходдесон «Хрустальный огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века», которую многие считают окончательной историей транзистора.

«Я бы поставил его на один уровень с огнем с точки зрения его важности для современной жизни», — сказал Риордан.

Транзистор почти волшебен. Нет движущихся частей. Если у вас нет германия, вы можете сделать его из песка. (Мы вернемся к кремниевой революции позже в этой серии.) Он продолжает производиться все меньше и меньше, но все еще работает. Он не использует много энергии. Тем не менее, он отвечает за многое.

«Я не думаю, что вы смогли бы совершить полет на Луну без этих микрочипов», — сказал Риордан. «И я думаю, что это одна из главных причин, по которой Соединенные Штаты первыми добрались до Луны. В 1960-х годах в Советском Союзе не было производства микрочипов».

Первый транзистор, разработанный Уолтером Браттейном и Джоном Бардином, состоял из полупроводника германия, золота, грубой пружины и металлической основы. (Nokia USA Inc. и AT&T Archives)

Итак, транзистор находится наверху с использованием огня, но что такое транзистор? Что оно делает?

Сначала две вещи. Во-первых, он действует как крошечный переключатель, как флиппер в игре в пинбол. Когда шарик катится — это электрический сигнал — транзистор может пропустить его или перевернуть. Открытый или закрытый. Ноль или 1, суть того, что станет цифровой революцией.

Во-вторых, транзистор действует как своего рода погонщик скота, усиливая сигнал, чтобы он звучал громче. Если бы инженеры могли придумать, как производить их массово, они могли бы заменить громоздкие, хрупкие стеклянные трубки, которые нагревали внутренности более ранней электроники. Это было проблемой.

За этим последовало… почти все: радио размером с колоду карт. Спутники. Компьютеры повсюду. Фильмы на вашем мобильном телефоне. Электронная коммерция. Крах газет. Зависимость от социальных сетей.

Мы изучаем экосистемы, которые продвигают инновации. Начать стоит с экосистемы, породившей транзистор: Bell Labs.

Мы хотели узнать больше о месте, где работали физики, которые его провернули. Да, это была телефонная компания. И да, тогда вы просто называли ее «телефонной компанией», потому что в основном была только одна: мать их всех, AT&T.

Мемориальная доска в современной Nokia Bell Labs. (Alex Schroeder/Marketplace)

Помимо транзистора, у Bell Telephone Laboratories были ресурсы и ноу-хау для производства солнечной батареи, лазера, спутника связи, чипа камеры устройства с зарядовой связью, используемого в цифровых изображениях, и сотовой связи. телефонная система. И они смогли это сделать отчасти благодаря телефонным счетам, которые платили ваши родители, бабушки и дедушки.

В мире много чего происходит. Несмотря на все это, Marketplace здесь для вас.

Вы полагаетесь на Marketplace, чтобы анализировать события в мире и сообщать вам, как они влияют на вас, основанным на фактах и доступным способом. Мы рассчитываем на вашу финансовую поддержку, чтобы сделать это возможным.

Ваше сегодняшнее пожертвование поддерживает независимую журналистику, на которую вы полагаетесь. Всего за 5 долларов в месяц вы можете помочь поддерживать Marketplace, чтобы мы могли продолжать сообщать о том, что важно для вас.

Последние выпуски наших шоу

15:15 по тихоокеанскому времени