Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Jest coś gorszego od braku urlopu: być przydzielonym do nielubianej pracy. Tak pomyślał Kilby. Firma Texas Instruments prowadziła właśnie sponsorowany przez armię USA projekt, który miał ułatwić miniaturyzację i montowanie układów elektronicznych. Rozmiary i kształty rozmaitych elementów miały zostać ujednolicone, a styki łączyć się na zacisk. Dotąd elektronikę trzeba było żmudnie lutować, nawet z setek tysięcy elementów. Stanowiło to przykre ograniczenie dla fantazji inżynierów. "Oczyma wyobraźni widzieliśmy sprzęt elektroniczny, którego nie dało się zbudować - byłby zbyt drogi, zbyt duży, zbyt zawodny" - wspominał Kilby.
Jednak nie był zachwycony pomysłem swej nowej firmy: sądził, że to będzie i tak za drogie. W obawie, że gdy wszyscy wrócą z urlopu, zostanie skierowany do projektu, postanowił zaproponować coś lepszego. W ciągu dwóch tygodni powstała idea: niech wszystkie elementy będą zrobione z jednego kawałka półprzewodnika i od razu połączone ze sobą, tworząc kompletny obwód.
12 września 1958 r. Kilby zaprezentował wypoczętym współpracownikom pierwszy w świecie układ scalony. Wyglądał niepozornie: płytka z kryształu germanu, półtora milimetra na centymetr. Zawierała tylko tranzystor, kondensator i trzy oporniki. Lecz gdy podłączono zasilanie, zrobiła dokładnie to, do czego zaprojektował ją inżynier: wyemitowała prąd o kształcie pięknej sinusoidy, biegnącej przez ekran oscyloskopu.
Klucz do sukcesu
"Chip", czyli odłamek, płatek (ale też: chrupka ziemniaczana). Taką skrótową nazwę zyskał wynalazek. Przemysł nie od razu okazał mu entuzjazm. Pierwsze układy scalone były zbyt wolne, drogie i nie zastępowały wszystkich elementów elektronicznych. Ale w zastosowaniach kosmicznych i wojskowych ich niskie zużycie energii i małe rozmiary wkrótce przeważyły nad wadami. Pierwszy komputer w nowej technologii zbudowano w 1961 r. dla lotnictwa USA. Rok później chipy zaczęły sterować jądrowymi rakietami międzykontynentalnymi. W tym samym czasie NASA zdecydowała się na odważny krok: mimo oporu konserwatywnych ekspertów, stery statków kosmicznych "Apollo" objął komputer na układach scalonych.
W 1965 r. firma Texas Instruments zdecydowała, że pora zaprowadzić wynalazek pod strzechy. Kilby otrzymał nowe zadanie: zbudować kalkulator kieszonkowy. W owym czasie kalkulatory miały rozmiar maszyny do pisania i ciężar 25 kg, a podłączało się je oczywiście do gniazdka. Ekipa Kilby'ego podjęła wyzwanie i w niespełna dwa lata stworzyła kalkulator o wymiarach 11 x 16 x 4,5 cm, z akumulatorem zdolnym zasilać go przez trzy godziny. Nie miał wyświetlacza, wyniki drukował na taśmie papierowej. Ważył 1,3 kg. Perfekcjonista Kilby pracował dalej, by kalkulator swym ciężarem nie oberwał kieszeni... W 1971 r. wypuszczono na rynek model Canon Pocketronic - o podobnych rozmiarach, lecz prawie o połowę lżejszy. Mimo ceny 400 dolarów stał się przebojem: przez następny rok w USA sprzedano 5 mln egzemplarzy. W ciągu dekady w kraju było więcej kalkulatorów niż obywateli.
Teraz nikt nie miał wątpliwości, że układ scalony ma przyszłość.
Tymczasem w sekrecie - na zlecenie armii - w 1970 r. powstał pierwszy mikroprocesor. Sterował układami myśliwca F-14. Jednostki sterujące komputerem budowano dotąd z większej liczby układów scalonych. A mikroprocesor zawierał to wszystko na jednym chipie. Szczegóły tego projektu były tajne aż do 1997 r.
Jednak w roku 1971 pojawiły się pierwsze cywilne mikroprocesory firm Intel i Texas Instruments. Klucz do sukcesu to uniwersalność: ten sam model można było zastosować w tysiącach różnych urządzeń. Z wielkiego przemysłu i nauki zaczęły więc szybko przenikać do życia codziennego: sterowanie ruchem ulicznym, kontrolowanie różnych układów w samochodzie, gry wideo... I wreszcie: komputery osobiste. Pierwszy powstał w 1981 r., wyprodukowany przez firmę IBM.
Milion miliardów instrukcji
Główna zaleta układu scalonego to wcale nie małe rozmiary. Największą korzyścią jest, że miliony tranzystorów - cegiełek budujących układy logiczne - mogą być tworzone i łączone ze sobą w procesie masowej produkcji.
W uproszczeniu: na plasterku półprzewodnika pokrytego substancją światłoczułą naświetla się kształty obwodów. Rysunek wytrawia się tak, by tworzył maskę. To, co nie jest nią przykryte - poddaje się procesom zmieniającym własności elektryczne półprzewodnika. Taką litografię powtarza się kilkanaście razy, uzyskując wiele warstw. Na koniec podobną metodą tworzy się przewody elektryczne z warstewki metalu.
W ciągu ostatniego roku zeszło z taśmy kilka tysięcy razy więcej tranzystorów niż jest na ziemi mrówek. Na każdego z ludzi przypadło ich więc kilkaset milionów. Gordon Moore, współzałożyciel Intela, już w 1965 r. sformułował prawo: co dwa lata podwaja się ilość tranzystorów, które można upakować na jednym chipie. Sprawdza się ono do dziś. W końcu lat 50. na układzie scalonym mieściło się 200 tranzystorów. Obecnie już 2 miliardy.
Szybkość procesorów (zależna od ilości tranzystorów, choć nie tylko) wzrasta w podobnie lawinowym tempie. Pierwszy komputer, z 1946 r., wykonywał niecałe 3000 instrukcji na sekundę. W 1951 r. Stanisław Lem opisał w powieści "Astronauci" superkomputer XXI w.,
który miałby wykonywać zawrotną ilość 5 mln instrukcji na sekundę - tymczasem ten próg szybkości został przekroczony już w połowie lat 60. W 1976 r. superkomputer Cray-1 wykonywał w ciągu sekundy 150 mln operacji. Dziś procesory w telefonach komórkowych prześcigają go dwukrotnie. A najszybszy komputer świata, uruchomiony w 2008 r. Roadrunner, wykonuje milion miliardów instrukcji na sekundę.
Świat przyszłości
Tymczasem w laboratoriach powstaje elektronika przyszłości. Być może zamiast wytrawiania, łatwiej będzie drukować układy scalone z płynnych polimerów, jak drukarką atramentową. Powstają pierwsze elastyczne układy scalone. Będzie się z nich robić foliowe wyświetlacze, ubrania z czujnikami zdrowia, elektroniczną skórę czułą na dotyk. Chirurdzy w elektronicznych rękawiczkach wykonają zdalne operacje. Można sobie wyobrazić niezliczone zastosowania takiego materiału w wirtualnej rozrywce.
Układami scalonymi inspirują się też urządzenia nieelektroniczne. Optyczne układy scalone pozwolą na miniaturyzację urządzeń optycznych i ich większą niezawodność. Przetwarzać dane można nie tylko przez prąd elektryczny, lecz i przez światło. Trwają więc prace nad hybrydami elektroniczno-optycznymi: pewne części komputerów zastąpione są tu przez optyczne odpowiedniki. A komputer tylko na światło? Czemu nie. Powstają projekty komputerów kwantowych na fotony - i projekty odpowiednich układów scalonych.
Układy scalone na... wodę - to zaskakująca inspiracja elektroniką. Już dziś naukowcy potrafią stworzyć układy maleńkich rurek, które jak komputer mają pamięć i wykonują operacje logiczne na pompowanych kropelkach cieczy. Wbrew pozorom zastosowań dla tej tzw. mikrofluidyki jest w bród. Biologia, chemia i farmacja muszą dziś operować na mikroskopijnych ilościach płynów: separować białka, analizować i montować sekwencje DNA, wykrywać różne substancje w najdrobniejszych dawkach.
Lecz tradycyjna elektronika napotka wkrótce granicę. Części tranzystorów mają już grubość kilku atomów. Gdy dojdą do grubości 1-2 atomów, chipów nie da się bardziej skurczyć. Propozycją XXI w. jest nanoelektronika. Gdy prawo Moore'a dojdzie do ściany, pozwoli ona jeszcze na co najmniej stukrotną miniaturyzację. Druty z nanorurek węglowych, diody i tranzystory będą hodowane w probówce. Układy będą montować się same. A właściwie - ewoluować. Elementy wielkości molekuł łączyć się będą losowo. Każdy układ będzie zmuszany do zmian kombinacji połączeń i "krzyżowania się" z innymi - tak długo, aż nie osiągnie żądanych właściwości. Jak w przyrodzie ożywionej, pojawią się wrodzone defekty i nie da się wyprodukować dwóch identycznych urządzeń. Dlatego architektura elektroniki zmieni się. Wrócą do łask prace twórców pierwszych, często psujących się komputerów - o tym, jak z wielu zawodnych elementów złożyć niezawodny układ...
***
Niedawno w gronie młodych naukowców kolega pokazał nam swą ostatnią lekturę: pożółkły artykuł z lat 70., gdy nie było nas jeszcze na świecie. Były to obliczenia z fizyki teoretycznej. Autorzy z dumą nadmieniali, że wielogodzinne rachunki wykonał najnowszy amerykański superkomputer. Jakaż była uciecha zebranych, gdy zauważyłam: "Twój telefon policzyłby to szybciej!". Dziś każdy z nas nosi w kieszeni maszynę, która kilkadziesiąt lat temu zajmowałaby kilka pokoi.
Co by było, gdyby Jack Kilby pojechał na wakacje?
Dr ANNA OCHAB-MARCINEK pracuje na Uniwersytecie w Augsburgu (Niemcy) i na Uniwersytecie Jagiellońskim. Fizyk teoretyk, zajmuje się głównie biofizyką: mechanizmami ekspresji genów, przesyłu sygnałów w neuronach, wzrostu nowotworów.
ŚWIAT: JAK TO DZIAŁA? Nowy blog "Tygodnika Powszechnego"
www.swiat-jaktodziala.blog.onet.pl
O tym, czy ciemna materia może być trochę jaśniejsza, o petaflopowym Strusiu Pędziwiatrze i synchrotronowym van Goghu, o mechanizmach rządzących puszczaniem kaczek i o tym, czy ławice kryla poruszają oceany - w najnowszym blogu "Tygodnika Powszechnego".
Jak działa świat, który na co dzień nas otacza, wyjasnią dr Anna Ochab-Marcinek, dr Dagmara Sokołowska, dr hab. Paweł F. Góra, dr Tomasz Romanczukiewicz i mgr Michał P. Heller.
