Как это устроено: транзисторы

Про­цес­со­ры в ком­пью­те­рах, теле­фо­нах и любой элек­тро­ни­ке состо­ят из тран­зи­сто­ров. В про­цес­со­ре Apple A13 Bionic, кото­рый сто­ит внут­ри один­на­дца­то­го айфо­на, 8,5 мил­ли­ар­да тран­зи­сто­ров, а в Core i7 4790, кото­рый сто­ял внут­ри мно­гих настоль­ных ком­пью­те­ров в 2014 году, — в 6 раз мень­ше.

Имен­но тран­зи­сто­ры выпол­ня­ют всю ком­пью­тер­ную рабо­ту: счи­та­ют, запус­ка­ют про­грам­мы, управ­ля­ют дат­чи­ка­ми и отве­ча­ют за рабо­ту устрой­ства в целом.

При этом сам тран­зи­стор — про­стей­ший при­бор, кото­рый по сути похож на кран или элек­три­че­ские воро­та. Через тран­зи­стор идёт какой-то один ток, а дру­гим током этот поток мож­но либо про­пу­стить, либо забло­ки­ро­вать. И всё.

Вот при­мер­ная схе­ма. В жиз­ни нож­ки тран­зи­сто­ра могут быть рас­по­ло­же­ны не так, как на схе­ме, но для нагляд­но­сти нам надо имен­но так:

Ток пыта­ет­ся прой­ти сквозь тран­зи­стор, но тран­зи­стор «закрыт»: на его управ­ля­ю­щую ногу не подан дру­гой ток.

А теперь мы пода­ли на управ­ля­ю­щую ногу немно­го тока, и теперь тран­зи­стор «открыл­ся» и про­пус­ка­ет через себя основ­ной ток.

Из мил­ли­ар­дов таких про­стей­ших кра­нов и состо­ит любая совре­мен­ная вычис­ли­тель­ная маши­на: от чай­ни­ка с элек­трон­ным управ­ле­ни­ем до супер­ком­пью­те­ра в под­ва­лах Пен­та­го­на. И до чипа в вашем смарт­фоне.

В сере­дине XX века тран­зи­сто­ры были боль­ши­ми: сот­ней тран­зи­сто­ров мож­но было набить кар­ман, их про­да­ва­ли в радио­тех­ни­че­ских мага­зи­нах, у них были проч­ные кор­пу­са и метал­ли­че­ские нож­ки, кото­рые нуж­но было паять на пла­те. Такие тран­зи­сто­ры до сих пор про­да­ют­ся и про­из­во­дят­ся, но в мик­ро­элек­тро­ни­ке они не исполь­зу­ют­ся — слиш­ком боль­шие.

Это один из вари­ан­тов испол­не­ния тран­зи­сто­ра: пла­сти­ко­вый кор­пус и три ноги для соеди­не­ния с пла­той.

Совре­мен­ный тран­зи­стор умень­шен в мил­ли­о­ны раз, у него нет кор­пу­са, а про­цесс его мон­та­жа мож­но срав­нить ско­рее с про­цес­сом лазер­ной печа­ти. Тран­зи­сто­ры раз­ме­ром несколь­ко нано­мет­ров в бук­валь­ном смыс­ле печа­та­ют поверх пла­стин, из кото­рых потом полу­ча­ют­ся наши про­цес­со­ры и память. Такие пла­сти­ны назы­ва­ют ваф­ля­ми, и если смот­реть на них без мик­ро­ско­па, это будут про­сто такие радуж­ные поверх­но­сти. Радуж­ные они пото­му, что состо­ят из мил­ли­ар­дов малень­ких выемок — тран­зи­сто­ров, рези­сто­ров и про­чих мик­ро­ком­по­нен­тов:

Ваф­ля из мил­ли­ар­дов тран­зи­сто­ров. Если её раз­ре­зать в пра­виль­ных местах, полу­чат­ся наши мик­ро­про­цес­со­ры.

Что внутри транзистора

Если бы мы мог­ли раз­ре­зать один тран­зи­стор в мик­ро­про­цес­со­ре, мы бы уви­де­ли что-то вро­де это­го:

Сле­ва — про­вод­ник, по кото­ро­му бежит ток, спра­ва — про­сто про­вод­ник, пока без тока. Меж­ду ними нахо­дит­ся про­во­дя­щий канал — те самые «воро­та». Когда воро­та откры­ты, ток из лево­го про­вод­ни­ка посту­па­ет в пра­вый. Когда закры­ты — пра­вый оста­ёт­ся без тока. Что­бы воро­та откры­лись, на них нуж­но подать ток откуда-то ещё. Если тока нет, то воро­та закры­ты.

Теперь, если гра­мот­но посо­еди­нять тыся­чу тран­зи­сто­ров, мы полу­чим про­стей­шую вычис­ли­тель­ную маши­ну. А если посо­еди­нять мил­ли­ард тран­зи­сто­ров, полу­чим ваш про­цес­сор.

Почему все так полюбили транзисторы

До тран­зи­сто­ров у учё­ных уже было некое подо­бие вычис­ли­тель­ных машин. Напри­мер, счё­ты: там опе­ра­тор управ­лял пере­ме­ще­ни­ем бусин в реги­страх и скла­ды­вал таким обра­зом чис­ла. Но опе­ра­тор мед­лен­ный и может оши­бать­ся, поэто­му систе­ма была несо­вер­шен­ной.

Были меха­ни­че­ские счёт­ные маши­ны, кото­рые уме­ли скла­ды­вать и умно­жать чис­ла за счёт слож­ных шестер­ней, бочон­ков и пру­жин, — напри­мер, ариф­мо­метр. Они рабо­та­ли мед­лен­но и были слиш­ком доро­ги­ми для мас­шта­би­ро­ва­ния.

Были вычис­ли­тель­ные маши­ны на базе меха­ни­че­ских пере­клю­ча­те­лей — реле. Они были очень боль­ши­ми — те самые «залы, напол­нен­ные одним ком­пью­те­ром». Их мог­ли застать наши роди­те­ли, бабуш­ки и дедуш­ки.

Поз­же при­ду­ма­ли элек­трон­ные лам­пы: там управ­лять током уже мож­но было с помо­щью дру­го­го тока. Но лам­пы пере­гре­ва­лись, лома­лись, на них мог при­ле­теть моты­лёк.

И толь­ко в кон­це соро­ко­вых учё­ные изоб­ре­ли твер­до­тель­ные тран­зи­сто­ры: вся кух­ня с вклю­че­ни­ем и выклю­че­ни­ем тока про­хо­ди­ла внут­ри чего-то твёр­до­го, устой­чи­во­го и без­опас­но­го, не при­вле­ка­ю­ще­го вни­ма­ния мотыль­ков. За осно­ву взя­ли гер­ма­ний и крем­ний и ста­ли раз­ви­вать эту тех­но­ло­гию.

Кайф твер­до­тель­ных тран­зи­сто­ров в том, что вза­и­мо­дей­ствия там про­ис­хо­дят на ско­ро­стях, близ­ких к ско­ро­сти све­та. Чем мень­ше сам тран­зи­стор, тем быст­рее по нему про­бе­га­ют элек­тро­ны, тем мень­ше вре­ме­ни нуж­но на вычис­ле­ния. Ну и сло­мать твер­до­тель­ный тран­зи­стор в хоро­шем проч­ном кор­пу­се намно­го слож­нее, чем хруп­кую стек­лян­ную лам­пу или меха­ни­че­ское реле.

Как считают транзисторы

Тран­зи­сто­ры соеди­не­ны таким хит­рым обра­зом, что, когда на них пода­ёт­ся ток в нуж­ных местах, они выда­ют ток в дру­гих нуж­ных местах. И всё вме­сте про­из­во­дит впе­чат­ле­ние полез­ной для чело­ве­ка мате­ма­ти­че­ской опе­ра­ции.

Пока что не будем думать, как имен­но соеди­не­ны тран­зи­сто­ры. Про­сто посмот­рим на прин­цип.

Допу­стим, нам надо сло­жить чис­ла 4 и 7. Нам, людям, оче­вид­но, что резуль­тат будет 11. Зако­ди­ру­ем эти три чис­ла в дво­ич­ной систе­ме:

Деся­тич­ная	Дво­ич­ная
4	0100
7	0111
11	1011

Теперь пред­ста­вим, что мы собра­ли некую маши­ну, кото­рая полу­чи­ла точ­но такой же резуль­тат: мы с одной сто­ро­ны пода­ли ей ток на вхо­ды, кото­рые соот­вет­ству­ют пер­во­му сла­га­е­мо­му; с дру­гой сто­ро­ны — пода­ли ток на вхо­ды вто­ро­го сла­га­е­мо­го; а на выхо­де под­све­ти­лись выхо­ды, кото­рые соот­вет­ство­ва­ли сум­ме.

Смот­ри­те, что тут про­ис­хо­дит: есть восемь вхо­дов и четы­ре выхо­да. На вхо­ды пода­ет­ся элек­три­че­ство. Это про­сто элек­три­че­ство, оно не зна­ет, что оно обо­зна­ча­ет чис­ла. Но мы, люди, зна­ем, что мы в этом элек­три­че­стве зашиф­ро­ва­ли чис­ла.

Так же на выхо­де: элек­три­че­ство при­шло на какие-то кон­так­ты. Мы как-то на них посмот­ре­ли и уви­де­ли, что эти кон­так­ты соот­вет­ству­ют какому-то чис­лу. Мы дела­ем вывод, что эта про­стей­шая маши­на сло­жи­ла два чис­ла. Хотя на самом деле она про­сто хит­рым обра­зом пере­ме­ша­ла элек­три­че­ство.

Вот про­стей­ший при­мер ком­пью­те­ра, собран­но­го на тран­зи­сто­рах. Он скла­ды­ва­ет два чис­ла от 0 до 15 и состо­ит толь­ко из тран­зи­сто­ров, рези­сто­ров (что­бы не спа­лить) и вся­ких вспо­мо­га­тель­ных дета­лей типа бата­рей­ки, выклю­ча­те­лей и лам­по­чек. Мож­но сра­зу посмот­реть кон­цов­ку, как он рабо­та­ет:

Вот ров­но это, толь­ко в мил­ли­ард раз слож­нее, и про­ис­хо­дит в наших ком­пью­те­рах.

Что мы зна­ем на этом эта­пе:

1. Тран­зи­сто­ры — это про­сто «кра­ны» для элек­три­че­ства.
2. Если их хит­рым обра­зом соеди­нить, то они будут сме­ши­вать элек­три­че­ство полез­ным для чело­ве­ка обра­зом.
3. Все ком­пью­тер­ные вычис­ле­ния осно­ва­ны на том, что­бы пра­виль­но соеди­нить и очень плот­но упа­ко­вать тран­зи­сто­ры.

В сле­ду­ю­щей части раз­бе­рем, как имен­но соеди­не­ны эти тран­зи­сто­ры и что им поз­во­ля­ет так инте­рес­но всё счи­тать.

Как работают транзисторы — ЗнайКак.ру

Транзисторы представляют собой миниатюрные электронные переключатели. Из них, как из кирпичиков, строится процессор — ‘мозг’ компьютера.

Как и обычный электрический выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — ‘включено’ и ‘выключено’. Такое ‘двоичное’ поведение транзистора используется при обработке информации в компьютере.

 

Единственный вид информации, который ‘понимают’ компьютеры — это электрические сигналы, имеющие два состояния — ‘включено’ и ‘выключено’. Чтобы понять, как применяются транзисторы, надо знать основные принципы работы логических электронных схем.
Логические электронные схемы состоят из нескольких элементов. Один из этих элементов — это электрическая цепь, по которой протекает ток. Второй элемент — электронный ключ, устройство, которое открывает и закрывает путь протекания электрического тока, замыкая или размыкая цепь.

Транзисторы не имеют движущихся частей и переключаются из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов. Включение и выключение транзисторов лежит в основе работы процессоров.

Как транзистор обрабатывает информацию

Устройство, имеющее, подобно транзистору, два состояния, может быть названо двоичным. Включенное состояние транзистора можно обозначить единицей, а выключенное — нулем. Последовательностями и наборами нулей и единиц, вырабатываемых множеством транзисторов, можно представлять буквы, числа, цвета и графические объекты. Такой принцип называется двоичным представлением.

Каждый символ алфавита имеет свой двоичный эквивалент. Внизу написано имя JOHN и его эквивалент в двоичном виде. В двоичном виде, используя переключающие свойства транзисторов, можно представлять и более сложные объекты — графику, звуковую и видеоинформацию.
Ниже приведена таблица двоичных эквивалентов , содержащая двоичные представления всех букв английского алфавита.

Многие материалы, в том числе все металлы, проводят электрический ток. Материалы, не проводящие электрический ток, называются диэлектриками. Чистый кремний, являющийся основным материалом большинства транзисторов, называют полупроводником, поскольку его проводимостью можно управлять путем введения примесей.

Анатомия транзистора

Добавление определенных видов примесей к кремнию, из которого изготавливают транзисторы, изменяет его кристаллическую структуру и увеличивает его способность проводить электрический ток. Кремний с примесью бора называется кремнием p-типа (от positive — положительный), поскольку в его кристаллической решетке не хватает электронов. Кремний с примесью фосфора содержит избыток свободных электронов и называется кремнием n-типа.

Состояние транзистора

Транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор.

В транзисторе n-типа исток и сток заряжены отрицательно и находятся над положительно заряженной областью в подложке из кремния p-типа.

При приложении к затвору положительного напряжения электроны p-кремния втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком.

Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток — находится во включенном состоянии.

Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток — ‘выключается’.

Влияние

Микропроцессоры, использующие переключающие свойства транзисторов, могут решать самые разнообразные задачи — от простой обработки текстов до редактирования видеоматериалов. Современные процессоры способны выполнять сотни миллионов операций в секунду на одном кристалле.
Процессоры применяются везде — в автомобилях, медицинских приборах, телевизорах, компьютерах и космических кораблях. В их основе всегда лежит обработка двоичной информации с помощью транзисторов.

Как работаю транзисторы в компьютерах. Принцип работы транзистора

Транзистор относится к категории полупроводниковых приборов. В электротехнике он используется как генератор и усилитель электрических колебаний. Основой прибора является кристалл, расположенный в корпусе. Для изготовления кристалла используется специальный полупроводниковый материал, по своим свойствам находящийся в промежуточном положении между изолятором и проводником. Транзистор применяется в радио- и электронных схемах. Данные приборы могут быть . Каждый из них обладает собственными параметрами и характеристиками.

Особенности биполярных транзисторов

Электрический ток в биполярных транзисторах образуется электрическими зарядами, имеющими положительную и отрицательную полярность. Дырки переносят положительную полярность, а электроны — отрицательную. Для данного вида устройств используются германиевые или кремниевые кристаллы, обладающие индивидуальными особенностями, которые учитываются при создании электронных схем.

Основой кристалла служат сверхчистые материалы. К ним добавляются специальные примеси в точной дозировке. Именно они оказывают влияние на возникновение в кристалле электронной или дырочной проводимости. Они обозначаются соответственно, как n- или р-проводимость. Происходит формирование базы, являющейся одним из электродов. Специальные примеси, введенные в кристаллическую поверхность, изменяют проводимость базы на противоположное значение. В результате, образуются зоны n-р-n или р-n-р, к которым подключаются выводы. Таким образом, происходит создание транзистора.

Источник носителей заряда называется эмиттером, а собиратель носителей является коллектором. Между ними располагается зона, исполняющая роль базы. Выводы прибора называются в соответствии с подключенными электродами. При поступлении на эмиттер входного сигнала в виде небольшого электрического напряжения, в цепи между ним и коллектором будет протекать ток. Форма этого тока совпадает с входным сигналом, однако его значение существенно увеличивается. Именно в этом заключаются усиливающие свойства транзистора.

Работа полевого транзистора

В полевых транзисторах направленное движение электронов или дырок образуется под воздействием электрического поля, которое создается на третьем электроде приложенным напряжением. Из одного электрода выходят носители, поэтому он называется истоком. Второй электрод, на который поступают заряды, носит название стока. Третий электрод, управляющий движением частиц, называется затвором. Токопроводящий участок, ограниченный стоком и истоком, именуется каналом, поэтому данные устройства еще известны как канальные. Сопротивление канала изменяется под действием напряжения, образующегося на затворе. Этот фактор оказывает воздействие на протекающий по каналу электрический ток.

Тип носителей заряда влияет на характеристики . В n-канале происходит направленное движение электронов, а в р-канале перемещаются дырки. Таким образом, ток появляется под действием носителей лишь с каким-то одним знаком. В этом состоит основное отличие полевых и биполярных транзисторов.

Принцип работы каждого полевой транзистора заключается в однополярном токе, требует постоянного напряжения, чтобы обеспечить начальное смещение. Значение полярности зависит от типа канала, а напряжение связано с тем или иным типом устройства. В целом, они надежны в эксплуатации, могут работать в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление.

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером.
— сам термин названия данного включение уже говорит о специфике данной схемы. Общий эмиттер а в крации это ОЭ, подразумевает тот факт, что у входа данной схемы и выхода общий эмиттер.
Рассмотрим схему:

в этой схеме видим два источника питания, первый 1.5 вольт, использован как входной сигнал для транзистора и всей схемы. Второй источник питания 4.5 вольт, его роль питание транзистора, и всей схемы. Элемент схемы Rн – это нагрузка транзистора или проще говоря потребитель.
Теперь проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.5 вольт служит входным сигналом для транзистора, поступая на базу транзистора он открывает его. Если рассматривать полный цикл про

История транзистора, часть 3: многократное переизобретение / Habr

Другие статьи цикла:

• История реле
  
• История электронных компьютеров
  
• История транзистора
  
• История интернета
  

Более сотни лет аналоговая собака виляла цифровым хвостом. Попытки расширить возможности наших органов чувств – зрения, слуха, и даже, в каком-то смысле, осязания, вели инженеров и учёных на поиски лучших компонентов для телеграфа, телефона, радио и радаров. Лишь по счастливой случайности эти поиски обнаружили путь к созданию новых типов цифровых машин. И я решил рассказать историю этой постоянной экзаптации, во время которой инженеры электросвязи поставляли исходные материалы для первых цифровых компьютеров, а иногда даже сами проектировали и создавали эти компьютеры.

Но к 1960-м годам это плодотворное сотрудничество подошло к концу, а с ним и моя история. Изготовителям цифрового оборудования уже не нужно было заглядывать в мир телеграфа, телефона и радио в поисках новых, улучшенных переключателей, поскольку сам транзистор обеспечил неисчерпаемый источник улучшений. Год за годом они копали всё глубже и глубже, всегда находя способы экспоненциально увеличивать скорость работы и уменьшать стоимость.

Однако ничего этого бы не произошло, если бы изобретение транзистора остановилось бы на работе Бардина и Бреттейна.

Медленный старт

В популярной прессе не наблюдалось активного энтузиазма в связи с объявлением лабораторий Белла об изобретении транзистора. 1 июля 1948 года в The New York Times этому событию отвели три абзаца внизу сводки «Новостей радио». Причём эта новость появилась после других, очевидно, считавшихся более важными: например, часового радиошоу «Время вальса», которое должно было появиться на NBC. Задним умом мы, возможно, захотим посмеяться, или даже побранить неизвестных авторов – как же они не смогли распознать перевернувшее мир событие?

Но взгляд в прошлое искажает восприятие, усиливая те сигналы, значимость которых нам известно, хотя в то время они терялись в море шума. Транзистор 1948 года сильно отличался от транзисторов компьютеров, на одном из которых вы читаете эту статью (если вы не решили её распечатать). Отличались так сильно, что, несмотря на одинаковое название, и связывающую их непрерывную линию наследования, их нужно считать разными видами, если не разными родами. У них разные составы, разная структура, разный принцип функционирования, не говоря уже о гигантском различии в размерах. Только благодаря постоянным повторным изобретениям неуклюжее устройство, сооружённое Бардином и Бреттейном, смогло преобразовать мир и нашу жизнь.

На самом деле, германиевый транзистор с одной точкой контакта не заслуживал внимания большего, чем получил. У него было несколько дефектов, унаследованных от электронной лампы. Он, конечно, был гораздо меньше самых компактных ламп. Отсутствие раскалённой нити означало, что он выдаёт меньше тепла, потребляет меньше энергии, не перегорает и не требует прогрева перед использованием.

Однако накопление грязи на контактной поверхности приводило к отказам и сводило на нет потенциал к более долгому сроку службы; он давал более шумный сигнал; работал только при низких мощностях и в узком диапазоне частот; отказывал при наличии жары, холода или влажности; и его не получалось производить единообразно. Несколько транзисторов, созданных одним и тем же способом одними и теми же людьми, обладали бы вызывающе разными электрическими характеристиками. И всё это сопровождалось стоимостью в восемь раз большей, чем у стандартной лампы.

Только к 1952 году лаборатории Белла (и другие владельцы патента) решили проблемы производства достаточно для того, чтобы транзисторы с одной точкой контакта стали практичными устройствами, и даже тогда они не особенно распространились дальше рынка слуховых аппаратов, на котором чувствительность к ценам была относительно низкой, а преимущества, касающиеся времени работы от аккумулятора, превышали недостатки.

Однако тогда уже начались первые попытки превратить транзистор в нечто лучшее и более полезное. Они вообще-то начались гораздо раньше того момента, когда общественность узнала о его существовании.

Амбиции Шокли

К концу 1947 года Билл Шокли в большом возбуждении предпринял поездку в Чикаго. У него были смутные идеи по поводу того, как превзойти недавно изобретённый Бардиным и Бреттейном транзистор, но ему пока не представилось шанса разработать их. Поэтому вместо того, чтобы наслаждаться перерывом между этапами в работе, он провёл Рождество и Новый год в отеле, заполнив порядка 20 страниц блокнота своими идеями. Среди них было предложение нового транзистора, состоящего из полупроводникового сэндвича – ломтика из германия p-типа между двумя кусочками n-типа.

Подбадриваемый наличием такого туза в рукаве, Шокли предъявил Бардину и Бреттейну претензии по их возвращению в Мюррей-Хилл, требуя всей славы за изобретение транзистора. Разве не его идея о полевом эффекте заставила Бардин и Бреттейна засесть в лаборатории? Разве не нужно из-за этого передать все права на патент ему? Однако хитрость Шокли вышла ему боком: патентные юристы лабораторий Белла выяснили, что неизвестный изобретатель, Юлий Эдгар Лилиенфельд, запатентовал полупроводниковый усилитель на полевом эффекте почти за 20 лет до этого, в 1930. Лилиенфельд, конечно, так и не воплотил свою идею, учитывая состояние материалов на то время, но риск пересечения был слишком велик – лучше было полностью избежать упоминания полевого эффекта в патенте.

Так что, хотя лаборатории Белла и выдали Шокли щедрую долю славы изобретателя, в патенте они упомянули только Бардина и Бреттейна. Однако, сделанного не воротишь: амбиции Шокли уничтожили его взаимоотношения с двумя подчинёнными. Бардин прекратил работу над транзистором, и сконцентрировался на сверхпроводимости. Он ушёл из лабораторий в 1951. Бреттейн остался там, но отказался вновь работать с Шокли, и настоял на перевод в другую группу.

Из-за неспособности работать с другими людьми Шокли так и не продвинулся в лабораториях, поэтому тоже ушёл оттуда. В 1956 он вернулся домой в Пало-Альто, чтобы основать собственную компанию по производству транзисторов, Shockley Semiconductor. Перед отъездом он расстался с женой Джин, когда она восстанавливалась от рака матки, и сошёлся с Эмми Леннинг, на которой вскоре женился. Но из двух половин его калифорнийской мечты – новая компания и новая жена – исполнилась лишь одна. В 1957 лучшие его инженеры, разгневанные его стилем управления и направлением, в котором он вёл компанию, ушли от него, чтобы основать новую фирму, Fairchild Semiconductor.

Шокли в 1956

Так что Шокли бросил пустую оболочку своей компании и устроился в департамент электротехники в Стэнфорде. Там он продолжал отталкивать от себя своих коллег (и своего старейшего друга, физика Фреда Зейтца) заинтересовавшими его теориями расового вырождения и расовой гигиены – темами, непопулярными в США со времени окончания последней войны, особенно в академических кругах. Он находил удовольствие в развязывании споров, взвинчивании СМИ и вызывании протестов. Он умер в 1989 году, отдалившись от детей и коллег, и посещаемый только вечно преданной ему второй женой, Эмми.

Хотя его жалкие попытки на поприще предпринимательства провалились, Шокли уронил зерно в плодотворную почву. Область залива Сан-Франциско произвела на свет множество небольших фирм, производящих электронику, которые сдабривало финансированием федеральное правительство во время войны. Fairchild Semiconductor, случайный отпрыск Шокли, породил десятки новых фирм, парочка которых известна и сегодня: Intel и Advanced Micro Devices (AMD). К началу 1970-х эта область заслужила насмешливое прозвище «Кремниевая долина». Но постойте-ка – ведь Бардин и Бреттейн создали германиевый транзистор. Откуда взялся кремний?

Так в 2009 году выглядело заброшенное место в Маунтин-Вью, где ранее находилась Shockley Semiconductor. Сегодня здание снесено.

К кремниевому перекрёстку

Судьба нового типа транзистора, придуманного Шокли в чикагском отеле, была гораздо счастливее, чем у его изобретателя. Всё благодаря стремлению одного человека выращивать единые чистые полупроводниковые кристаллы. Гордон Тил, физический химик из Техаса, изучавший бесполезный тогда германий для своей докторской, в 30-х годах устроился на работу в лаборатории Белла. Узнав о транзисторе, он уверился в том, что его надёжность и мощность можно значительно улучшить, создав его из чистого монокристалла, а не из использовавшихся тогда поликристаллических смесей. Шокли отверг его попытки, считая их бесполезной тратой ресурсов.

Однако Тил упорствовал и добился успеха, с помощью инженера-механика Джона Литла создав аппарат, достающий крохотный зародыш кристалла из расплавленного германия. Охлаждаясь вокруг зародыша, германий расширял его кристаллическую структуру, создавая непрерывную и почти чистую полупроводящую решётку. К весне 1949 года Тил и Литл могли создавать кристаллы по заказу, и испытания показали, что они оставляют далеко позади своих поликристаллических конкурентов. В частности, добавленные в них неосновные переносчики могли выживать внутри сотню микросекунд или даже дольше (против не более чем десяти микросекунд в других пробах кристаллов).

Теперь Тил мог позволить себе больше ресурсов, и набрал в свою команду больше людей, среди которых был ещё один физический химик, пришедший в лаборатории Белла из Техаса – Морган Спаркс. Они начали менять расплав для изготовления германия p-типа или n-типа, добавляя шарики соответствующих примесей. Ещё за год они усовершенствовали технологию до такой степени, что могли выращивать германиевый n-p-n сэндвич прямо в расплаве. И он работал именно так, как предсказывал Шокли: электрический сигнал материала p-типа модулировал электрический ток между двумя проводниками, соединёнными с окружающими его кусочками n-типа.

Морган Спаркс и Гордон Тил за верстаком в лабораториях Белла

Этот транзистор с выращенным переходом превзошёл своего предка с одним точечным контактом почти по всем статьям. В особенности, он стал более надёжным и предсказуемым, выдавал гораздо меньше шума (и, следовательно, был более чувствительным), и чрезвычайно энергоэффективным – потребляя в миллион раз меньше энергии, чем типичная электронная лампа. В июле 1951 года лаборатории Белла организовали ещё одну пресс-конференцию, чтобы объявить о новом изобретении. Ещё до того, как первый транзистор сумел выйти на рынок, он, по сути, уже стал несущественным.

И всё же это было лишь начало. В 1952 году General Electric (GE) объявила о разработке нового процесса создания транзисторов с переходом, сплавного метода. В его рамках два шарика индия (донор p-типа) сплавлялись с двух сторон тонкого ломтика из германия n-типа. Этот процесс был проще и дешевле, чем выращивание переходов в сплаве, такой транзистор давал меньше сопротивления и поддерживал большие частоты.

Выращенные и сплавные транзисторы

В следующем году Гордон Тил решил вернуться в свой родной штат, и устроился на работу в Texas Instruments (TI) в Далласе. Компания была основана под именем Geophysical Services, Inc., и сначала производила оборудование для разведывания нефтяных месторождений, TI открыла подразделение электроники во время войны, и теперь выходила на рынок транзисторов по лицензии от Western Electric (производственного подразделения лабораторий Белла).

Тил принёс с собой новые навыки, полученные в лабораториях: способность выращивать и легировать монокристаллы кремния. Самой очевидной слабостью германия была его чувствительность к температуре. Подвергаясь воздействию тепла, атомы германия в кристалле быстро сбрасывали свободные электроны, и он всё больше превращался в проводник. При температуре в 77 °C он вообще переставал работать, как транзистор. Главной целью продаж транзисторов были вооружённые силы – потенциальный потребитель с низкой ценовой чувствительностью и огромной потребностью в стабильных, надёжных и компактных электронных компонентах. Однако чувствительный к температуре германий не пригодился бы во многих случаях военного применения, особенно в аэрокосмической области.

Кремний был гораздо стабильнее, однако расплачиваться приходилось гораздо более высокой точкой плавления, сравнимой с точкой плавления стали. Это вызывало огромные трудности, учитывая, что для создания высококачественных транзисторов требовались очень чистые кристаллы. Горячий расплавленный кремний впитывал бы загрязнения из любого тигля, в котором бы находился. Тил с командой из TI сумели преодолеть эти трудности при помощи сверхчистых образцов кремния от DuPont. В мае 1954 на конференции института радиоинженеров в Дайтоне (Огайо) Тил продемонстрировал, что новые кремниевые устройства, произведённые в его лаборатории, продолжали работать, даже будучи погружёнными в горячее масло.

Успешные выскочки

Наконец, примерно через семь лет после первого изобретения транзистора, его можно было изготавливать из материала, с которым он стал синонимом. И ещё примерно столько же времени пройдёт до появления транзисторов, грубо напоминающих ту форму, что используется в наших микропроцессорах и чипах памяти.

В 1955 году учёные из лабораторий Белла успешно научились делать кремниевые транзисторы с новой технологией легирования – вместо того, чтобы добавлять твёрдые шарики примесей в жидкий расплав, они внедряли газообразные добавки в твёрдую поверхность полупроводника (термодиффузия). Тщательно контролируя температуру, давление и длительность процедуры, они достигали точно необходимой глубины и степени легирования. Усиление контроля над производственным процессом дало усиление контроля над электрическими свойствами конечного продукта. Что ещё важно, термодиффузия дала возможность производить продукт партиями – можно было легировать большую плиту кремния, а потом нарезать её на транзисторы. Военные обеспечили финансирование лабораторий Белла, поскольку на организацию производства требовались высокие предварительные траты. Им требовался новый продукт для ультравысокочастотной линии раннего радиолокационного обнаружения («линии Дью»), цепочке арктических радарных станций, предназначенных для обнаружения советских бомбардировщиков, летящих со стороны Северного полюса, и они готовы были выложить по $100 за транзистор (это были времена, когда новый автомобиль можно было купить за $2000).

Легирование вместе с фотолитографией, управлявшей расположением примесей, открыли возможность вытравливать весь контур целиком на одной полупроводниковой подложке – до этого одновременно додумались в Fairchild Semiconductor и Texas Instruments в 1959. «Планарная технология» от Fairchild использовала химическое осаждение металлических плёнок, соединяющих электрические контакты транзистора. Она избавляла от необходимости создания проводки вручную, уменьшала стоимость производства и увеличивала надёжность.

Наконец, в 1960-м два инженера из лабораторий Белла (Джон Аталла и Дэвон Кан) реализовали оригинальную концепцию Шокли транзистора на полевом эффекте. Тонкий слой оксида на поверхности полупроводника смог эффективно подавлять поверхностные состояния, в результате чего электрическое поле от алюминиевого затвора проникало внутрь кремния. Так родился MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (или МОП-структура, от металл-оксид-полупроводник), который оказалось так легко миниатюризировать, и который до сих пор используется почти во всех современных компьютерах (интересно, что Аталла был родом из Египта, а Кан из Южной Кореи, и практически только эти двое инженеров из всей нашей истории не имеют европейских корней).

Наконец, спустя тринадцать лет после изобретения первого транзистора, появилось нечто, напоминающее транзистор вашего компьютера. Его было проще производить, он использовал меньше энергии, чем плоскостной транзистор, однако он довольно медленно реагировал на сигналы. Только после распространения крупных интегральных схем с сотнями или тысячами компонентов, расположенными на едином чипе, преимущества полевых транзисторов вышли на первый план.

Иллюстрация из патента на полевой транзистор

Полевой эффект стал последним серьёзным вкладом лабораторий Белла в разработку транзистора. Крупные производители электроники, такие, как лаборатории Белла (с их Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse наработали впечатляющий объём исследований полупроводников. С 1952 по 1965 только лаборатории Белла зарегистрировали более двух сотен патентов на эту тему. И всё же коммерческий рынок быстро перешёл в руки таких новых игроков, как Texas Instruments, Transitron и Fairchild.

Ранний рынок транзисторов был слишком маленьким для того, чтобы на него обращали внимание крупные игроки: порядка $18 млн в год в середине 1950-х, по сравнению с общим объёмом рынка электроники в $2 млрд. Однако исследовательские лаборатории этих гигантов служили непреднамеренными тренировочными лагерями, где молодые учёные могли впитывать знания, касающиеся полупроводников, чтобы после переходить к продаже своих услуг менее крупным фирмам. Когда рынок ламповой электроники в середине 1960-х начал серьёзно ужиматься, для лабораторий Белла, Westinghouse и остальных было уже слишком поздно состязаться с выскочками.

Переход компьютеров на транзисторы

В 1950-х транзисторы вторглись в мир электроники в четырёх наиболее значимых областях. Первыми двумя были слуховые аппараты и портативные радиоприёмники, в которых низкое энергопотребление, и, как следствие, долгая работа от батареи, пересиливали остальные соображения. Третьей было военное применение. Армия США возлагала большие надежды на транзисторы, как на надёжные и компактные компоненты, которые можно использовать везде, от полевого радио до баллистических ракет. Однако в первое время их траты на транзисторы больше были похожи на ставку на будущее технологии, чем на подтверждение их тогдашней ценности. И, наконец, были ещё цифровые вычисления.

В компьютерной области недостатки переключателей на электронных лампах были хорошо известны, причём некоторые скептики до войны даже считали, что электронный компьютер не удастся сделать практичным устройством. Когда тысячи ламп собирали в одном устройстве, они пожирали электроэнергию, выдавая огромное количество тепла, а в плане надёжности можно было положиться только на их регулярное выгорание. Поэтому мало потребляющий, холодный и не имеющий нити транзистор стал спасителем компьютерных производителей. Его недостатки как усилителя (к примеру, более шумный выходной сигнал) не представляли такой уж проблемы при использовании его в качестве переключателя. Единственным препятствием была стоимость, и в своё время она начнёт резко падать.

Все ранние американские эксперименты с транзисторными компьютерами происходили на пересечении желания военных изучить потенциал многообещающей новой технологии, и желания инженеров перейти на улучшенные переключатели.

В лабораториях Белла в 1954 году построили TRADIC для ВВС США, чтобы посмотреть, дадут ли транзисторы возможность установить цифровой компьютер на борту бомбардировщика, заменив им аналоговую навигацию и помощь в поиске целей. Лаборатория Линкольна из MIT разработала компьютер TX-0 в рамках обширного проекта ПВО в 1956. Машина использовала ещё один вариант транзистора, поверхностно-барьерный, хорошо подходивший для высокоскоростных вычислений. Philco построила свой компьютер SOLO по контракту с ВМФ (однако реально – по запросу АНБ), закончив его в 1958 (используя ещё один вариант поверхностно-барьерного транзистора).

В Западной Европе, не настолько обеспеченной ресурсами в ходе Холодной войны, история была совсем другой. Такие машины, как Manchester Transistor Computer, Harwell CADET (ещё одно название, вдохновлённое проектом ENIAC, и зашифрованное написанием задом наперёд), и австрийский Mailüfterl были побочными проектами, использовавшими ресурсы, которые их создатели могли наскрести – включая транзисторы с одной точкой контакта первого поколения.

Идёт множество споров по поводу титула первого компьютера, использовавшего транзисторы. Всё, конечно, упирается в выбор правильных определений таких слов, как «первый», «транзисторный» и «компьютер». В любом случае известно, где история заканчивается. Коммерциализация транзисторных компьютеров началась почти сразу. Год за годом компьютеры за одну и ту же цену становились всё более мощными, а компьютеры одной мощности становились всё дешевле, и этот процесс казался настолько неумолимым, что его возвели в ранг закона, рядом с гравитацией и сохранением энергии. Нужно ли нам спорить о том, какой камушек стал первым в обвале?

Откуда взялся закон Мура?

Приближаясь к окончанию истории переключателя, стоит задать вопрос: что привело к появлению этого обвала? Почему закон Мура существует (или существовал – поспорим об этом в другой раз)? Для самолётов или пылесосов закона Мура нет, как нет его для электронных ламп или реле.

Ответ состоит из двух частей:

1. Логические свойства переключателя как категории артефакта.
2. Возможность использовать чисто химические процессы для изготовления транзисторов.

Сначала о сути переключателя. Свойства большинства артефактов обязаны удовлетворять широкому спектру неумолимых физических ограничений. Пассажирский самолёт должен выдерживать общий вес множества людей. Пылесос должен уметь засасывать определённое количество грязи за определённое время с определённой физической площади. Самолёты и пылесосы будут бесполезными, если уменьшить их до наномасштабов.

У переключателя же – автоматического переключателя, которого никогда не касалась рука человека – физических ограничений гораздо меньше. У него должно быть два различных состояния, и он должен уметь сообщать другим таким же переключателям изменение их состояний. То есть, всё, что он должен уметь, это включаться и выключаться. Что же такого особенного в транзисторах? Почему другие виды цифровых переключателей не испытали таких экспоненциальных улучшений?

Тут мы подходим ко второму факту. Транзисторы можно изготавливать при помощи химических процессов без механического вмешательства. С самого начала ключевым элементом производства транзисторов было применение химических примесей. Затем появился планарный процесс, устранивший последний механический шаг из производства – присоединение проводов. В результате он избавился от последнего физического ограничения на миниатюризацию. Транзисторам уже не нужно было быть достаточно крупными для пальцев человека – или для любого механического устройства. Всё делала простая химия, на невообразимо маленьком масштабе: кислота для травления, свет для управления тем, какие части поверхности будут противостоять травлению, и пары для внедрения примесей и металлических плёнок на вытравленные дорожки.

А зачем вообще нужна миниатюризация? Уменьшение размера давало целую плеяду приятных побочных эффектов: увеличение скорости переключения, уменьшение потребления энергии и стоимости отдельных экземпляров. Эти мощные стимулы побудили всех заниматься поиском способов дальнейшего уменьшения переключателей. И полупроводниковая индустрия за время жизни одного человека перешла от изготовления переключателей размером с ноготь до упаковки десятков миллионов переключателей на квадратный миллиметр. От запроса восьми долларов за один переключатель до предложения двадцати миллионов переключателей за доллар.

Чип памяти Intel 1103 от 1971 года. Отдельные транзисторы, размером всего в десятки микрометров, уже неразличимы глазом. А с тех пор они уменьшились ещё в тысячу раз.

Что ещё почитать:

• Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
• Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Joel Shurkin, Broken Genius (1997)

Как на самом деле производят процессоры

Песок. В наших ком­пью­те­рах в бук­валь­ном смыс­ле песок, вер­нее — состав­ля­ю­щий его крем­ний. Это основ­ной эле­мент, бла­го­да­ря кото­ро­му в ком­пью­те­рах всё рабо­та­ет. А вот как из пес­ка полу­ча­ют­ся ком­пью­те­ры.

Что такое процессор

Про­цес­сор — это неболь­шой чип внут­ри ваше­го ком­пью­те­ра или теле­фо­на, кото­рый про­из­во­дит все вычис­ле­ния. Об осно­ве вычис­ле­ний мы уже писа­ли — это тран­зи­сто­ры, кото­рые собра­ны в сум­ма­то­ры и дру­гие функ­ци­о­наль­ные бло­ки.

Если очень упро­щён­но — это слож­ная систе­ма кра­нов и труб, толь­ко вме­сто воды по ним течёт ток. Если пра­виль­ным обра­зом соеди­нить эти тру­бы и кра­ны, ток будет течь полез­ным для чело­ве­ка обра­зом и полу­чат­ся вычис­ле­ния: сна­ча­ла сум­мы, потом из сумм мож­но полу­чить более слож­ные мате­ма­ти­че­ские опе­ра­ции, потом чис­ла­ми мож­но зако­ди­ро­вать текст, цвет, пик­се­ли, гра­фи­ку, звук, 3D, игры, ней­ро­се­ти и что угод­но ещё.

Кремний

Почти все про­цес­со­ры, кото­рые про­из­во­дят­ся в мире, дела­ют­ся на крем­ни­е­вой осно­ве. Это свя­за­но с тем, что у крем­ния под­хо­дя­щая внут­рен­няя атом­ная струк­ту­ра, кото­рая поз­во­ля­ет делать мик­ро­схе­мы и про­цес­со­ры прак­ти­че­ски любой кон­фи­гу­ра­ции.

Самый доступ­ный источ­ник крем­ния — песок. Но крем­ний, кото­рый полу­ча­ет­ся из пес­ка, на самом пер­вом эта­пе недо­ста­точ­но чистый: в нём есть 0,5% при­ме­сей. Может пока­зать­ся, что чисто­та 99,5% — это кру­то, но для про­цес­со­ров нуж­на чисто­та уров­ня 99,9999999%. Такой крем­ний назы­ва­ет­ся элек­трон­ным, и его мож­но полу­чить после цепоч­ки опре­де­лён­ных хими­че­ских реак­ций.

Когда цепоч­ка закан­чи­ва­ет­ся и оста­ёт­ся толь­ко чистый крем­ний, мож­но начи­нать выра­щи­вать кри­сталл.

Кристалл и подложка

Кри­стал­лы — это такие твёр­дые тела, в кото­рых ато­мы и моле­ку­лы веще­ства нахо­дят­ся в стро­гом поряд­ке. Про­ще гово­ря, ато­мы в кри­стал­ле рас­по­ло­же­ны пред­ска­зу­е­мым обра­зом в любой точ­ке. Это поз­во­ля­ет точ­но пони­мать, как будет вести себя это веще­ство при любом воз­дей­ствии на него. Имен­но это свой­ство кри­стал­ли­че­ской решёт­ки исполь­зу­ют на про­из­вод­стве про­цес­со­ров.

Самые рас­про­стра­нён­ные кри­стал­лы — соль, дра­го­цен­ные кам­ни, лёд и гра­фит в каран­да­ше.

Боль­шой кри­сталл мож­но полу­чить, если крем­ний рас­пла­вить, а затем опу­стить туда зара­нее под­го­тов­лен­ный малень­кий кри­сталл. Он сфор­ми­ру­ет вокруг себя новый слой кри­стал­ли­че­ской решёт­ки, полу­чив­ший­ся слой сде­ла­ет то же самое, и в резуль­та­те мы полу­чим один боль­шой кри­сталл. На про­из­вод­стве он весит под сот­ню кило­грамм, но при этом очень хруп­кий.

Гото­вый кри­сталл крем­ния.

После того, как кри­сталл готов, его наре­за­ют спе­ци­аль­ной пилой на дис­ки тол­щи­ной в мил­ли­метр. При этом диа­метр тако­го дис­ка полу­ча­ет­ся око­ло 30 сан­ти­мет­ров — на нём будет созда­вать­ся сра­зу несколь­ко десят­ков про­цес­со­ров.

Каж­дую такую пла­стин­ку тща­тель­но шли­фу­ют, что­бы поверх­ность полу­чи­лась иде­аль­но ров­ной. Если будут зазуб­ри­ны или шеро­хо­ва­то­сти, то на сле­ду­ю­щих эта­пах диск забра­ку­ют.

Гото­вые отпо­ли­ро­ван­ные пла­сти­ны крем­ния.

Печатаем транзисторы

Когда дис­ки отпо­ли­ро­ва­ны, на них мож­но фор­ми­ро­вать про­цес­со­ры. Про­цесс очень похож на то, как рань­ше печа­та­ли чёрно-белые фото­гра­фии: бра­ли плён­ку, све­ти­ли свер­ху лам­пой, а сни­зу кла­ли фото­бу­ма­гу. Там, куда попа­дал свет, бума­га ста­но­ви­лось тём­ной, а те места, кото­рые закры­ло чёр­ное изоб­ра­же­ние на плён­ке, оста­ва­лись белы­ми.

С тран­зи­сто­ра­ми всё то же самое: на диск нано­сят спе­ци­аль­ный слой, кото­рый при попа­да­нии све­та реа­ги­ру­ет с моле­ку­ла­ми дис­ка и изме­ня­ет его свой­ства. После тако­го облу­че­ния в этих местах диск начи­на­ет про­во­дить ток чуть ина­че — силь­нее или сла­бее.

Что­бы так поме­нять толь­ко нуж­ные участ­ки, на пути све­та поме­ща­ют фильтр — пря­мо как плён­ку в фото­пе­ча­ти, — кото­рый закры­ва­ет те места, где менять ниче­го не надо.

Потом полу­чив­ший­ся слой покры­ва­ют тон­ким сло­ем диэлек­три­ка — это веще­ство, кото­рое не про­во­дит ток, типа изо­лен­ты. Это нуж­но, что­бы слои про­цес­со­ра не вза­и­мо­дей­ство­ва­ли друг с дру­гом. Про­цесс повто­ря­ет­ся несколь­ко десят­ков раз. В резуль­та­те полу­ча­ют­ся мил­ли­о­ны мель­чай­ших тран­зи­сто­ров, кото­рые теперь нуж­но соеди­нить меж­ду собой.

Соединяем всё вместе

То, как соеди­ня­ют­ся меж­ду собой тран­зи­сто­ры в про­цес­со­ре, назы­ва­ет­ся про­цес­сор­ной архи­тек­ту­рой. У каж­до­го поко­ле­ния и моди­фи­ка­ции про­цес­со­ров своя архи­тек­ту­ра. Все про­из­во­ди­те­ли дер­жат в сек­ре­те тон­ко­сти архи­тек­ту­ры, пото­му что от это­го может зави­сеть ско­рость рабо­ты или сто­и­мость про­из­вод­ства.

Так как тран­зи­сто­ров мно­го, а свя­зей меж­ду ними нуж­но сде­лать нема­ло, то посту­па­ют так: нано­сят токо­про­во­дя­щий слой, ста­вят фильтр и закреп­ля­ют про­вод­ни­ки в нуж­ном месте. Потом слой диэлек­три­ка и сно­ва токо­про­во­дя­щий слой. В резуль­та­те выхо­дит бутер­брод из про­вод­ни­ков, кото­рые друг дру­гу не меша­ют, а тран­зи­сто­ры полу­ча­ют нуж­ные соеди­не­ния.

Токо­про­во­дя­щие дорож­ки круп­ным пла­ном. На фото они уже в несколь­ко сло­ёв и не меша­ют друг дру­гу.

В чём сложность

Совре­мен­ные про­цес­со­ры про­из­во­дят­ся на нано­мет­ро­вом уровне, то есть раз­ме­ры эле­мен­тов изме­ря­ют­ся нано­мет­ра­ми, это очень мало.

Если, напри­мер, во вре­мя печа­ти очень тол­стый маль­чик упа­дёт на пол в сосед­нем цехе, еле замет­ная удар­ная вол­на про­ка­тит­ся по пере­кры­ти­ям заво­да и печат­ная фор­ма немно­го сдви­нет­ся, а напе­ча­тан­ные таким обра­зом тран­зи­сто­ры ока­жут­ся бра­ко­ван­ны­ми. Пылин­ка, попав­шая на пла­сти­ну во вре­мя печа­ти — это, счи­тай, загуб­лен­ное ядро про­цес­со­ра.

Поэто­му на заво­дах, где дела­ют про­цес­со­ры, соблю­да­ют­ся жёст­кие стан­дар­ты чисто­ты, все ходят в мас­ках и костю­мах, на всех воз­ду­хо­во­дах сто­ят филь­тры, а сами заво­ды нахо­дят­ся на сей­сми­че­ских подуш­ках, что­бы толч­ки зем­ной коры не меша­ли про­из­во­дить про­цес­со­ры.

Крышка и упаковка

Когда дорож­ки гото­вы, диск отправ­ля­ют на тесты. Там смот­рят на то, как рабо­та­ет каж­дый про­цес­сор, как он гре­ет­ся и сколь­ко ему нуж­но энер­гии, заод­но про­ве­ря­ют на брак.

В зави­си­мо­сти от резуль­та­тов про­цес­со­ры с одной пла­сти­ны могут полу­чить раз­ную мар­ки­ров­ку и про­да­вать­ся по раз­ной сто­и­мо­сти. Те про­цес­со­ры, кото­рые полу­чи­лись более удач­ны­ми, ста­но­вят­ся доро­ги­ми сер­вер­ны­ми про­дук­та­ми. Те, где кто-то рядом чих­нул или вздох­нул, име­ют неко­то­рые несо­вер­шен­ства и дефек­ты, их могут отпра­вить на потре­би­тель­скую линию.

После тестов диск раз­ре­за­ют на гото­вые про­цес­сор­ные ядра.

Пла­сти­на со мно­же­ством оди­на­ко­вых про­цес­сор­ных ядер.
Робот выре­за­ет ядра из гото­вой пла­сти­ны.

После это­го к ядру про­цес­со­ра добав­ля­ют кон­так­ты, что­бы мож­но было вста­вить его в мате­рин­скую пла­ту, и накры­ва­ют крыш­кой. Чёр­ный или метал­ли­че­ский пря­мо­уголь­ник, из кото­ро­го тор­чат нож­ки, — это как раз крыш­ка.

Крыш­ка выпол­ня­ет две функ­ции: защи­ща­ет сам кри­сталл от повре­жде­ний и отво­дит от него теп­ло во вре­мя рабо­ты. Дело в том, что мил­ли­о­ны тран­зи­сто­ров при рабо­те нагре­ва­ют­ся, и если про­цес­сор не осту­жать, то он пере­гре­ет­ся и кри­сталл может испор­тить­ся. Что­бы тако­го не про­изо­шло, на крыш­ку про­цес­со­ра ста­вят воз­душ­ные куле­ры или дела­ют водя­ное охла­жде­ние.

Система на чипе

Чипы про­цес­со­ров уже настоль­ко малень­кие, что под одной крыш­кой мож­но поме­стить какое-нибудь ещё устрой­ство. Напри­мер, видео­си­сте­му — то, что обсчи­ты­ва­ет кар­тин­ку перед выво­дом на экран. Или устрой­ство радио­свя­зи с антен­ной.

В какой-то момент на малень­ком чипе пло­ща­дью око­ло 1 см² уже мож­но было поме­стить про­цес­сор, видео, модем и блю­тус, сде­лать всё нуж­ное для под­держ­ки памя­ти и пери­фе­рии — в общем, систе­ма на чипе. Под­клю­ча­е­те к это­му хозяй­ству экран, нуж­ное коли­че­ство антенн, пор­тов и кно­пок, а глав­ное — здо­ро­вен­ную бата­рею, и у вас гото­вый смарт­фон. По сути, все «моз­ги» ваше­го смарт­фо­на нахо­дят­ся на одном малень­ком чипе, а 80% про­стран­ства за экра­ном зани­ма­ет бата­рея.

транзистор компьютер — Transistor computer

компьютер построен с использованием дискретных транзисторов

Транзистор компьютер , в настоящее время часто называют вторым поколением компьютер , является компьютером , который использует дискретные транзисторы вместо вакуумных трубок . Первое поколение электронных вычислительных машин используются вакуумные трубки, которая генерируется большое количество тепла, были громоздкими и ненадежными. Второе поколение компьютеров, в течение конца 1950 — х и 1960 — х лет признаки печатных плат , заполненные отдельными транзисторами и магнитный сердечник памятью . Эти машины оставались основной дизайн в конце 1960 — х годов, когда интегральные схемы начали появляться и привело к третьего поколения машин.

история

Университет Манчестера экспериментальному «s Транзистор Компьютер был первым в эксплуатацию в ноябре 1953 года и широко распространено мнение, что первый транзистор компьютера вступают в силу в любой точке мира. Существовало две версии Транзистора компьютера, прототип, эксплуатационная в 1953 году, а версия полноразмерной, введенная в эксплуатации в апреле 1955 года 1953 машина был 92 Микроконтактных транзисторов и 550 диодов , изготовленных STC . Он имел 48-разрядное машинное слово. 1955 Машина имела в общей сложности 200 точечных транзисторов и диодов 1300 точек, что привело к потребляемой мощности 150 Вт. Были серьезные проблемы надежности с ранних партий транзисторов и средней безошибочного пробега в 1955 году было всего 1,5 часа. Компьютер также используется небольшое количество трубок в его тактовый генератор, поэтому он не был первым полностью транзисторный аппарат.

Конструкция полноразмерного Транзистор Компьютер был впоследствии принят Манчестерской фирмой Metropolitan-Vickers , который изменил все схемы на более надежные виды плоскостных транзисторов . Серийная версия была известна как Metrovick 950 и был построен с 1956 по мере шесть или семь машин, которые «используются в коммерческих целях в компании» или « в основном для внутреннего использования».

Другие ранние машины

В середине 1950-х годов появился ряд подобных машин. Они включали Bell Laboratories TRADIC , завершенный в январе 1954, который включил один усилитель ламповый выходной высокой мощности для подачи его 1 МГц мощность часов.

Первый полностью транзисторный компьютер был либо Харвелле КУРСАНТ , который первым работал в феврале 1955 года, хотя цена , заплаченная за это , что он работал только на медленной скорости 58 кГц, или прототип IBM 604 транзисторного калькулятора. Burroughs Corporation утверждал SM-65 Atlas МБР / THOR умелым руководством компьютера (MOD 1) , что он доставлен в ВВС США на мысе Канаверал ракетного полигона в июне 1957 года был «первый в мире оперативный транзисторный компьютер». MIT «s Lincoln Laboratory приступил к разработке транзисторного компьютера TX-0 в 1956 году.

Другие транзисторах компьютеры стали функционировать в Японии (ETL Mark III, июль 1956), в Канаде ( DRTE Computer , 1957), и в Австрии, ( Mailüfterl , май 1958), это является первым транзисторных компьютеров в Азии, Канаде и континентальной Европы соответственно ,

Первый коммерческий полностью транзисторный калькулятор

В апреле 1955 года IBM объявила о IBM 608 транзисторного калькулятор, который был первым отправлен в декабре 1957 года IBM и несколько историков , таким образом , считают IBM 608 первый всех твердотельной вычислительной машиной коммерчески продаваемой. Развитие 608 предшествовало прототипирования экспериментального общероссийского транзистора версии 604. Это был построен и продемонстрировал в октябре 1954 года, но не был коммерческим.

Ранние коммерческие полностью транзисторных крупномасштабные компьютеры

Филко модели S сделки-1000 научно — компьютер и компьютерной обработка электронных данных S-2000 досрочно серийно выпускаются крупномасштабное все-транзисторные компьютеры; они были объявлены в 1957 году , но не не корабль , пока через некоторое время после падения 1958. Имя компьютера Филко «сделки» обозначает Транзистор-Automatic-Computer. Оба этих компьютерные модели PHILCO использовали поверхностно-барьерный транзистор в их конструкции схемотехники, первый в мире высокочастотного транзистор подходит для высокоскоростных компьютеров. Поверхностный барьер транзистор был разработан в 1953 году Филко.

RCA отгрузил RCA 501 первый транзисторный компьютер все в 1958 году.

В Италии, Olivetti «s первый коммерческий полностью транзисторный компьютер был Olivetti Elea 9003, продается с 1959 года.

IBM

IBM , которые доминировали в отрасль обработки данных на протяжении большей части 20 — го века, представил свои первые коммерческие транзисторные компьютеры , начиная с 1958 годом, с IBM 7070 , десятиразрядных слов десятичной машиной. За ним последовал в 1959 году IBM 7090 , 36-разрядная научная машина, очень популярный IBM 1401 предназначен для замены перфокарты перфорационных машинах , а также письменный стол размером 1620 , переменная длина десятичной машины. IBM в 7000 и 1400 серии включены множество вариантов на этих конструкций, с различными форматами данных, наборы команд и даже различных кодировок, но все они были построены с использованием той же серии модулей электроники, Standard Модульная система IBM (SMS).

декабрь

Разработчики TX-0 слева сформировать Digital Equipment Corporation в 1957 году транзисторах с самого начала, ранние продукты DEC включали PDP-1 , PDP-6 , PDP-7 и ранние PDP-8 , последний , начиная с миникомпьютер революции. Более поздние модели PDP-8 начала с PDP-й в 1968 году используются интегральные схемы делая их компьютеры третий поколения

System / 360 и гибридные схемы

В 1964 году IBM объявила о System / 360 , набор компьютеров , охватывающих широкий спектр возможностей и цены с единой архитектурой, чтобы заменить его более ранние компьютеры. Не желая ставить компанию на незрелом монолитной технологии IC в начале 1960 — х годов, IBM построила серию S / 360 с использованием IBM в Solid Logic Technology модули (SLT). ТА может упаковать несколько отдельных транзисторов и отдельных диодов с депонированных резисторов и межсоединений в модуле на половину квадратного дюйма, примерно эквивалентной логике ранее IBM Стандарт Модульная система карты, но в отличие от монолитного изготовления IC, диоды и транзисторы в модуле SLT были индивидуально размещены и соединены в конце сборки каждого модуля.

Школы и любители

Компьютеры первого поколения были в значительной степени вне досягаемости школ и любителей , которые хотели бы построить свои собственные, в основном из — за стоимости большого количества вакуумных трубок , необходимых (хотя реле на основе компьютерных проектов были проведены). Четвертого поколения (СБИС) также в значительной степени вне досягаемости, тоже, из — за большей части конструкторских работ , находясь внутри интегральной схемы пакета (хотя этот барьер, тоже был позже удален). Таким образом, второе и третье поколение компьютеров дизайн (транзисторы и SSI) , были , пожалуй, лучше всего подходит для, проводимых школ и любителей.

Рекомендации