Транзисторът на 50 години. И след това

Александър Алешин

На 30 юни 1948 г. Ралф Боун, заместник-директорът по наука на лабораториите "Бел - телефон", съобщава пред журналисти: "Нарекохме го транзистор - той даже се запъва при произнасяне на новата дума, - защото това е съпротивление (resistor - на английски) от полупроводник, което усилва електрическия сигнал". В сравнение с грамадните електровакуумни лампи от онези времена транзисторът изпълнява същите функции със значително по-малко изразходвана енергия и освен това - със значително по-малки размери.

Hо пресата практически не обръща никакво внимание на това малко цилиндърче със стърчащи проводници. Никой от репортерите, поканени на прес-конференцията, не е могъл да си представи размаха на бъдещото разпространение на това изобретение на века.

Издателят на такъв гигант като "New-York Times" му отделя място на 46-та страница на своето издание в раздела "Новини за радиото". След известието, че вместо ежеседмичният "Радиотеатър" ще се излъчи предаване от сериала "Нашата мис Брукс", се съобщава, че "вчера в лабораториите Бел е бил демонстриран нов уред, наречен транзистор, предназначен да замени вакуумните лампи. Този малък метален цилиндър, с размер от половин дюйм, няма решетка, електроди или стъклен балон. За него не е необходимо и време за нагряване".

В онова утро е имало много други новини, за да бъде отбелязано и раждането на транзистора. В началото на седмицата съветските войски отказват да пропуснат транспорт с продукти в Западен Берлин. САЩ и Великобритания отвръщат с керван от самолети за блокирания град, доставяйки хиляди тонове продукти и гориво, необходими за нормалния живот на повече от два милиона берлинчани. Започнала е студената война ...

Всъщност и за самите изобретатели на транзистора от самото начало той представлява само компактен и икономичен заместител на вакуумната лампа. В следвоенните години електронните цифрови компютри заемат огромни стаи и изискват обслужването на няколко десетки специалисти за редовното подменяне на изгорелите лампи. Само въоръжените сили и правителствени институции могат да си позволят разходите за подобни гиганти.

Днес обаче можем да кажем, че без това удивително изобретение никога не би могла да настъпи Информационната Епоха. Миниатюрното цилиндърче, което беше изобретено преди половин век от Бардийн, Братейн и Шокли, напълно измени обкръжаващия ни свят. Заслужава да се разкаже как стана това.

Пред началството откритието на транзисторния ефект е било демонстрирано половин година преди това - на 23 декември 1947 г. Честно казано съобщението е било много кратко. Уолтър Братейн произнася няколко уводни думи и включва оборудването. Hа екрана на осцилографа ясно се вижда как подаваният сигнал рязко се увеличава на изхода на транзистора. След това Братейн прочита няколко реда от лабораторния дневник, с което демонстрацията приключва. От ръководството на компанията "Бел" присъстват двама души: заместник-директорът по наука Ралф Боун и експертът на лабораторията Харви Флетчър. Никой не може да каже какво са мислили те, но по думите на очевидци, физиономиите им били достатъчно кисели. Вероятно, както всички нормални началници, Боун и Флетчър са очаквали приказки за икономически ефекти и внедрявания. Hо нищо такова не е било казано, въпреки че откритието, може би, е второто по значимост, откакто преди 70 години Александър Бел повиква асистента си по първия в света телефон: "Господин Уотсън, Вие сте ми необходим". 

Уилям Шокли започва да мечтае за полупроводников усилвател десетилетия преди това, но не успява да постигне нищо съществено, докато в лабораторията "Бел" не постъпва блестящият теоретик Джон Бардийн. Отначало Бардийн дели една стая с не по-малко блестящия експериментатор Уолтър Братейн, занимаващ се с полупроводници още от 1930 г. Бидейки пълни противоположности един на друг по склонности и темперамент, те се сдружават на основата на професионалните интереси и редовните партии голф. Именно тяхната съвместна работа в отдела на Шокли довежда до откриването на транзистора.

Първите месеци след това Шокли е буквално разкъсван от противоречиви емоции. От една страна, непосредствено до него е направено забележително откритие, наречено "най-добрият коледен подарък на лабораторията Бел". От друга – той практически няма принос в него, въпреки че воюва на този фронт повече от десет години.  

Hо това противоречие помогнало много на транзистора. Веднага след откритието Шокли изписва страница след страница от работните си тетрадки, като свързва новото изобретение (същността и значимостта на което той разбира по-добре от всички) със старите си разработки. Бардийн и Братейн бързо загубват интерес към чисто технологичните упражнения на своя шеф, и към края на 40-те години се забелязва определено охладняване на отношенията между тях. През 1951 г. Бардийн заема професорска длъжност в университета на щата Илинойс, а Братейн се отклонява от флагманския курс на лабораторията и се заема със самостоятелни изследвания. Пътищата на тримата първооткриватели се пресичат едва през 1956 г. в Стокхолм при връчването на Нобеловата им награда по физика.

Едва в средата на петдесетте години физиците и инженерите започват да осъзнават ролята и значението на транзистора, докато широките народни маси са в пълно неведение. Както преди милиони радио- и телевизионни приемници представляват огромни тежки сандъци, пълни с електровакуумни лампи. След включването им трябва да се чака минута, а и повече, докато лампите загреят и апаратът започне да работи. През 1954 г. под транзистор все още се подразбира някакво изтънчено лабораторно устройство с доста специфични приложения, като например за слухови апарати или за военни връзки. Hо през същата година всичко се променя: някаква неголяма фирма в Далас започва да пуска транзистори за портативни радиоприемници, които се продават по 50 долара. Едновременно на пазара на транзисторите се появява малка и никому неизвестна японска фирма с приятното наименование Sony, в която по-добре от американците са оценили перспективността на транзисторите.

В края на петдесетте години всеки уважаващ себе си американски юноша вече притежава транзисторен приемник. Hо първите транзисторни телевизори конструира Sony и монополът на САЩ започва да се топи, без да успее да се развие.

Наистина Шокли не губи време и през 1955 г. основава в северна Калифорния полупроводникова компания, полагаща началото на днес световноизвестната "Силициева долина". Може да се каже, че Бардийн, Братейн и Шокли предизвикват първата искра, от която се разгаря великата информационна клада, на която всички ние днес се греем.

След половин век, както се и полага на всяко велико изобретение, историята на неговото създаване обраства с легенди. Неотдавна тя получи неочаквано развитие.

Неголямата фирма АСС в щата Hю-Джързи заяви, че се намира на прага на създаване на информационна памет, каквато на планетата не е имало и няма. Капацитетът й е 90 гигабайта и той хилядократно превишава скоростта на пресмятане и на най-бързия твърд диск на IBM. Отгоре на всичко той не е по-голям от едра монета или жетон от казино.

Президентът на АСС Джек Шулман нарича технологията, по която е създадена, "transcapacitor". По неговите думи има основание да се твърди, че информацията за неговото създаване е извлечена от остатъци на HЛО, претърпял катастрофа през 1947 г. в района на град Росуел, Hю-Мексико. Материалите били предадени на Шулман от негов познат, бивш военен.

"Отначало се отнесох крайно недоверчиво към думите му и помолих да ми представи доказателства - разказва Шулман. - Тогава той довлече четири колички с документи от секретна научна лаборатория на Министерството на отбраната. Наши експерти потвърдиха, че документите са от средата на 40-те години. Почти от чисто любопитство по чертежите ние възпроизведохме устройство, напомнящо полупроводников уред. То заработи! Необходими са ни 18 -20 месеца, за да доведем образеца до промишлена серия". Hо всички молби образецът да бъде показан на експертите на големите компании, Шулман отхвърля с мотива, че устройството все още не е патентовано.

И така - пак "зелени човечета"? В компютърната мрежа на "Интертет" има специална страница (www.accpc.com/roswell.html), посветена на новата технология. Информация за работата на Шулман проникна в сериозното американско издание "PC World Online" и в руското "Computer World". Hе стига това, а редакторът на това списание публикува обширен коментар за друго неочаквано събитие - появата на транзистора.

Та нали той беше изобретен точно когато се появява същото онова "нещо" в американския Росуел! Изказва се хипотезата, че може да ни е бил "подхвърлен" от безкористните извънземни. Аргументите на привържениците на подобни размишления се опират на това, че транзисторът е бил представен на обществеността практически едновременно с първото съобщение в печата за изследвания в абсолютно ново направление в науката. Възникват слухове, че на мястото на "гибелта на извънземните" американските военни са намерили фрагменти от силиций със съвсем същите свойства, каквито притежава и първият транзистор. Освен това в СССР, независимо от високото равнище на развитие на науката, нищо подобно не е било направено ...

Единственото, което силно смущава, е, че статията за новата информационна памет и разсъжденията на редактора за транзистора са напечатани в броя от 31 март 1998 г. Макар и не на 1 април, все пак - много, много близко ...

Днес: проблеми и търсения.

Пиша тази статия на компютър, съдържащ десет милиона транзистора - не малко количество "крепостни" за притежателя им. И те струват по-малко, отколкото твърдият диск и дисплеят. Даже десет милиона кламера струват повече. Транзисторите се продават на безценица, защото вече четиридесет години инженерите усилено се трудят и успяват да разположат все по-голямо количество транзистори на една силициева пластинка. Ежегодно броят на транзисторите върху една платка се удвоява. Колко ли ще продължава този процес?

Вече не веднъж скептиците предсказваха близкия край на миниатюризацията и всеки път фактите опровергаваха техните мрачни прогнози. За да не се прочуя нито като скептик, нито като фантазьор, искам да бъда максимално обективен за бъдещото развитие на твърдотелната електроника и с какво може да й помогне науката.

Някои физически ограничения ще възникнат неизбежно при това постоянно намаляване на размера на транзистора. Задачата за съединяването на такива микроелементи може да стане неизпълнима. Намаляването на размера на електричната верига води до увеличаване на електричните полета, влияещи на движението на електроните в проводника. Освен това непрекъснато расте топлоотделянето. И накрая, размерите на елементите стават сравними с дължината на вълната на излъчването, с помощта на което те се правят - още една непреодолима граница.

За да почувстваме взаимодействието на тези ограничения, нека да разгледаме как работи един полеви транзистор. По същество това е реле с две състояния - нула и единица. В големите системи входните сигнали управляват транзистори, които предават обработения сигнал на изхода. Сигналите се предават по проводници и затова именно проводниците са тези, които определят работата на компютъра.

Полевият транзистор се състои от канал и три електрода: катодът изпуска електроните, анодът ги приема, а решетката управлява проводимостта на канала. Ако електроните от катода достигат до анода, то транзисторът е отпушен и се намира в положение "включен". Това е възможно, ако на решетката (на английски gate - врата) е подаден положителен потенциал. Именно на решетката се подава входният сигнал, който може да запуши или да отпуши транзистора.

Hо всичко това работи само ако проводниците са добре изолирани един от друг. По-рано за безопасно се приемаше разстояние от десет нанометъра – при него не се проявяват такива квантови ефекти като тунелирането на електрони. Обаче в лабораториите вече се изследва разстояние от три нанометъра - очаква се промишленото производство да се доближи до него до десет години.

Неотдавна учени от лабораториите "Бел-телефон" създадоха "най-миниатюрния работещ транзистор" - с напречен размер 60 нанометъра – това е дължината на верига от само 180 атома. Този транзистор е четири пъти по-малък от по-рано създадените, работи успешно и показва рекордни стойности за усилването. Изразходваната от него енергия е сто пъти по-малко, отколкото от съвременните транзистори. И това е добра новина.

Hо заедно с нея има и една лоша новина: изследователите са забелязали, че става тунелиране на електроните през подложката, отделяща канала на проводимост от управляващата решетка. Засега това не влияе на протичащия ток, но трябва да бъдат внимателно изучени последствията. По мнението на ръководителя на изследванията Стивън Хилениус, по-нататъшното намаляване на параметрите е невъзможно: "Изглежда, че ние направихме първия от последното поколение транзистори", - казва той.

Каква е причината за такъв песимизъм? – Именно във вече посочените проблеми. Преди всичко – в нарастването на локалните стойности на електричното поле, което неизбежно съпровожда миниатюризацията. При стайна температура електроните се движат със същата скорост, както и при напрежение 0,026 V. Тази стойност се нарича "топлинно напрежение". Затова управляващият сигнал трябва да бъде значително по-голям, за да бъдат преодолени случайните трептения. За транзистори на силициева основа характерната стойност на подаваното напрежение е от половин до един волт. Даже такова слабо напрежение, приложено на много малко разстояние, поражда огромно електрично поле (напрежението на полето е равно на напрежението, разделено на разстоянието) и може да доведе до пробив във въздуха, което естествено ще наруши работата на уреда. Съвременните транзистори вече работят на границата за такъв пробив.

Миниатюризацията увеличава топлоотделянето на всеки квадратен сантиметър. Причината е чисто геометрична: размерите на електродите намаляват в едно измерение, а площта на кристала на една свръхголяма интегрална схема (чип) - в две. Съвременните устройства отделят до 30 W на квадратен сантиметър, което е еквивалентно на нагряване на веществото до 1200 градуса, десет пъти повече от кухненския бързовар. Естествено подобно прегряване е недопустимо и затова се разработени различни технологии за охлаждане, които, за съжаление, силно оскъпяват чипа.

Следващата сложност е свързана с промишленото произвеждане на транзистори. Тях ги имплантират върху подложката чрез излъчване, след това различни химически реактиви довеждат работата до край. Hо трудно е излъчването да бъде фокусирано върху голяма площ, температурата на подложката може слабо да се измени, което води до незначителни разлики в свойствата на отделните транзистори, а това е недопустимо. При това с намаляване на размерите всички тези усложнения нарастват.

Повишава се и цената на устройствата за прогарящо излъчване, а и държателите на подложките трябва да бъдат все по-точни. Контролът на качеството става сложна и скъпоструваща процедура.

За да бъдат създадени нови и все по-миниатюрни чипове, става съвършено необходимо конструкцията им да се пресмята с компютър. По-рано движението на електроните по проводниците се описваха с простите закони на електричеството, но днес проводниците са така миниатюрни, че електроните се движат по тях не като устойчиви потоци, а на случайни тласъци. Просто е невъзможно те да бъдат пресметнати с необходимата точност, поради което рязко се усложнява и процесът на разработване на нови чипове.

Какво да се прави? Какво ни очаква?

Размишленията за бъдещето на транзистора ни заставя да се обърнем към неговото триумфално половинвековно шествие. То не беше случайно. В сравнение с предхождащите го вакуумни лампи транзисторите бяха по-прости, по-евтини и по-ефективни. Hа "потомците" на транзистора ще им бъде много трудно, защото те трябва да ги превъзхождат едновременно по няколко съвършено различни параметъра.

Отдавна вече се търсят "светлинни" алтернативи на транзисторите. Светлината е подходяща, защото фотоните не взаимодействат помежду си - няма силни полета, няма прегряване и други усложнения. Но тя има и свой минус: взаимодействието на сигналите е съществен детайл от работата на всеки електричен контур. Все едно светлината ще трябва да се превръща отново в електричество, а това е цял комплекс нови проблеми.

Така че трудно е ситуацията да се нарече оптимистична: вижда се краят на епохата на полупроводниците, но не се вижда достойната им замяна. Обаче в науката често е било така - безизходните ситуации са довеждали до революционни изменения и триумфални находки. Да не забравяме, че в крайна сметка транзисторите биват "ускорявани" и "смалявани", за да могат нашите деца в училищната си раничка да носят електронно копие на всички книги в Ленинската библиотека и с помощта на джобния си калкулатор без проблем да побеждават на шах Гари Каспаров.

От времето, когато бяха създадени първите транзистори, тези устройства претърпяха силно развитие. Hо апетитите на компютърджиите са ненаситни - те искат всичко да става все по-бързо и по-бързо, все повече операции в секунда. По мнението на съвременните проектанти електроните се движат извънредно бавно по проводниците и затова те обръщат поглед към светлината.

Бъдещото поколение компютри може да стане хибридно: силициевите чипове ще се свързват с помощта на лазерни снопове светлина. Hа мястото на металните проводници ще се появят лещи, призми и огледала. От тук и названието: оптика на свободното пространство. Съвременните компютри предават милиони байта в секунда. Хибридните ще позволят да се придвижим към терабайтове (милион милиона) и петабайтове (милион милиарда).

Компютрите, построени на основата на светлинни "проводници", притежават три явни преимущества. Първо, нищо не може да се движи по-бързо от светлината. Второ, светлинните фотони не взаимодействат помежду си (за разлика от електроните) и затова през един тесен канал могат да преминат произволен брой лъчи. И трето, за преминаване на светлината не е необходимо нищо друго освен въздух.

По мнение на Джулиан Динс от оптико-електронната група на Единбургския университет внедряването на хибридните компютри може да настъпи значително по-рано, отколкото изглежда. "Голяма част от технологичните проблеми са вече преодолени, - казва той. Трябва да се решат само чисто инженерни въпроси: как да се направят лазерите, лещите и огледалата достатъчно малки, надеждни и евтини, така че с тяхна помощ да се конструира работещ компютър".

Днес всички са удовлетворени от качествата на електронните чипове, които произвежда, да кажем, компанията "Интел", но проблемът е в тяхното свързване. Въпросът е как да се закрепят към миниатюрната микросхема неколкостотин метални проводника. Докато оптическите изводи могат да бъдат много хиляди, при това излизащи от всички страни на микросхемата. Само това усъвършенстване може да повиши бързодействието на съвременните изчислителни машини няколко десетки, а даже стотици пъти и да ги приближи към мечтания "терабайт" операции в секунда. Подобен ръст на възможните връзки ще позволи да се разработят нови структурни мрежи от компютри и паралелни процесори.

Както отбелязва Ендрю Крик от фотонната група на канадския университет Макгил, като че ли компютърната индустрия се събуди и забеляза съществуването на методите на оптиката на свободното пространство. Hа първо време светлината ще се използва за връзка между електронните чипове, но в перспектива тя може да влезе и вътре в тях, когато преместването на електроните се окаже твърде бавно за нарасналите скорости на пресмятане.

Проблемът с големия брой съединения е неотменна черта на всеки компютър. Процесори, елементи на паметта, клавиатура, терминал и други негови части постоянно обменят информация. Бързодействието на процесорите непрекъснато расте, увеличават се и потоците информация. А инженерите знаят, че при предаване на нули и единици по-бързо от някаква гранична стойност, те просто започват да се сливат едни с други. Освен това увеличаването на потоците води до това, че проводниците започват да работят като антени - излъчват електромагнитни вълни и влияят на "съседите". Налага се да бъдат добре екранирани, а това увеличава тяхната дебелина и повишава цената им. От друга страна, стремежът да се доведат до процесора все повече и повече проводници-съединители налага те да се правят все по-тънки. Hо колкото проводникът е по-тънък, толкова по-голямо е неговото съпротивление и топлинните загуби.

Казано най-общо, няма никакво съмнение, че стремежът за развитие на съвременните компютри, ако продължим да се придържаме към използването на проводници, ще се натъкне на непреодолими трудности. За да се излезе от безизходицата, необходимо е да се обърнем към оптични съединения. Идеологически това е много просто: електронните импулси в компютърния чип се преобразуват в тънък светлинен поток. Ако го има - това е "1", ако ли не - "0". Този светлинен поток преминава през мрежа от миниатюрни призми и лещи и достига до предназначението си. А там специална фотоклетчица я превръща отново в електрически сигнал. Главното изискване към оптичната система е да има малки енергетични загуби, да бъде евтина, проста и компактна.

Много неща бяха изпробвани, в частност какви ли не светодиоди, но се оказа, че най-добрият кандидат е многоквантовият източник, разновидност на електрическото реле, и микроскопичният лазер, наречен "виксел". И двете устройства са построени на основата на галиевия арсенид, което позволява те да бъдат произвеждани, както компютърните чипове, на поточни линии в многослойни структури.

Многоквантовият източник беше измислен от специалисти на американската компания Бел в щата Ню-Джързи за напълно оптичния компютър. Десетгодишните изследвания обаче показаха, че тази идея засега е неизпълнима, но разработката е напълно приложима за хибридните компютри. Това е източник, който представлява "вафла" от полупроводникови слоеве, която може много бързо да става ту огледална, ту мътна (непрозрачна) под въздействието на електрични сигнали. Отразената светлина е "единица", а неотразената - "нула". Освен това във всяка "вафла" има малко прозорче-фотоклетка, където падащата светлина се преобразува в електрически сигнал.

Първоначално идеята е била да се създаде оптичен еквивалент на транзистора. Hо в хибридния компютър тези клетки облепват процесора и му служат за преобразуватели на светлинните сигнали в електрични. Лабораторно вече е създаден процесор с хиляди такива клетки с размери не по-големи от 15 микрона всяка. Светлината върху тях постъпва от външен лазер, чийто сноп се разцепва на множество (32 х 32) отделни малки снопа. Първите експерименти показват, че той може да въвежда хиляди пъти повече информация отколкото съвременният суперкомпютър "Крей". Остава само опитният образец да бъде доведен до серийно производство.

Разработва се и алтернативен вариант на подобна клетка: миниатюрни твърдотелни лазери на всеки входно-изходен канал - "виксели". До неотдавна тези лазери бяха твърде големи, едва напоследък успяха да ги вградят в многослойни полупроводникови структури, където те изглеждат като светещи прозорчета на микронебостъргач. Въпреки това, засега "викселите" са едрички в сравнение с оптичните клетки - от порядъка на 250 микрона. Но инженерите на лабораториите Бел смятат, че намаляването на размерите им десетина пъти е само въпрос на време, при това не много дълго.

В Калифорнийския университет вече са създадени и лещи с напречен размер около двеста микрона. При тях сложният технологичен проблем е закрепването им. Има опасност температурните колебания, движението на въздуха и измененията на влажността да оказват влияние както на самата леща, така и на лепилото и подложката, леко да деформират системата и по този начин да нарушават работата на компютъра. Всичко това трябва да се провери и отстрани.

В лабораториите на университета Макгил и в други институти вече са изработени прототипи на такива компютри. Техните части са прецизно напасвани една към друга и стоят по местата си под действието на мощни магнити. Разбира се, това не е вариант за масово производство.

Обаче Ендрю Кирк смята, че главното препятствие по пътя на новите хибридни компютри е от чисто психологичен характер, както впрочем при всяка нова революционна технология. Но това е един от най-перспективните пътища към суперкомпютрите на бъдещето.

Американската космическа агенция HАСА си е поставила за цел към 2010 г. да построи компютър с мощност от петафлоп - т.е. милион милиарда операции в секунда. По мнението на специалистите от НАСА, за постигането на такава цел не съществува никаква алтернатива на оптическия начин за предаване на информацията. Впрочем, един петабайт информация се съдържа в един милиард книги, или в количеството видиолента, която може да се извърти за 2300 години. Та именно такъв обем информация ще се предава в този компютър за една секунда.

И като заключение - в интерес на пълната обективност - няколко думи за отношението към новите технологии. Марк Бор от изследователската група на компанията "Интел" смята, че отстраняването на усложненията с връзките може да се постигне чрез пренасянето на все повече функции върху един микрочип. Съвременните микропроцесори, например, са снабдени с "кеш-памет", където те трупат често използваната информация.