Родословное древо кремния

Родословное древо кремния

Электроника, как следует из названия, связана со свойствами каждого отдельного электрона (по сравнению с предшествующим ей электричеством, которое имеет дело с потоком огромного количества частиц).

В сердце всей электроники находится переключатель – причина существования самой науки, – и история электроники, по сути, является историей эволюции переключателя. Самые примитивные переключатели – механические. Это, к примеру, дверь на петлях, или большое устройство для смены стрелок железнодорожных путей, или даже муфта трансмиссии. Все они отвечают за процесс включения и выключения.

Электрический переключатель, как и выключатель света на стене, отключает и включает электрический ток. На настоящий момент в этой сфере мы находимся на техническом уровне 1840-х годов. Следующим значимым прорывом стал электромеханический переключатель, как, к примеру, телеграфный ключ, который использует электрический ток для создания магнитного поля, толкающего механический переключатель вперед и назад намного быстрее. Но все же вам вновь приходится применять физическую силу, а двигающиеся части механизма приходят в действие медленно, нагреваются и быстро изнашиваются.

За этим последовало изобретение в начале XX века первого электронного устройства, вакуумной трубки Audion. По существу, она представляла собой электрическую лампу вместе с вакуумом внутри, но на месте волоконного проводка, испускающего свет при пропускании через него электричества, был помещен эмиттер, выбрасывающий в пространство вокруг себя электроны, которые затем собирались коллектором.

Решающим моментом в использовании этого вакуумного прибора являлось то, что можно было сделать с полученным потоком электронов. Например, вы можете установить второй эмиттер из другого устройства в середине прибора, чтобы прибавить мощности потоку (усилитель), приостановить поток (с помощью резистора) или изменить частоту его повторения (вспомните: электроны являются в одно и то же время и частицами, и волнами, т. е. генератором). Или вы можете извлечь коллектор и дать эмиттеру свободно обстреливать стенки прибора электронами, которые при ударе будут возбуждать светочувствительный материал на плоской стенке, и… получите телевизор и радар.

К концу 1920-х годов вакуумные приборы использовались повсюду, особенно при создании радио. Но со временем проявились и их многочисленные ограничения. Прежде всего они были хрупкими. Много хлопот доставляли радио, оставленные в гостиной на столе, где их можно было легко задеть и уронить на пол. Еще хуже дело обстояло в местах с жесткими условиями, постоянной тряской – на боевых самолетах, в танках, на кораблях. Эти приборы быстро перегревались – в замкнутом, не проветриваемом помещении они могли легко сгореть. А так как выделенное тепло является отработанным продуктом электричества, содержание этих приборов было достаточно затратным. Что характерно, сам успех этих устройств повысил спрос на скоростное выполнение работ, которого приборы не могли достичь. Результат, воплощением которого стал гигантский, словно здание, компьютер ЭНИАК (горячий, как печь, и сосущий энергию из аккумулятора, сжигающий электролампы каждые пару секунд), показал, что эра вакуумных приборов подходит к концу.

Демонстрация полупроводниковых материалов стала настоящей эпифанией для Джона Бардина и Уолтера Бреттейна. Здесь был найден способ воспроизведения работы вакуумных устройств в прочном материале – так появилась «электроника устойчивого состояния». Полупроводники, с их возможностью пропускания основного потока и перекрывания его с помощью небольшого перпендикулярно идущего потока, прекрасно подходили на роль переключателей.

Транзисторы не имели подвижных частей, не были хрупкими, не расточали энергию, излучая тепло. Преимущественно из-за этих свойств транзисторы стали намного меньше, чем вакуумные приборы, и даже могли заряжаться от батарей. Они открыли потенциал нового мира портативной электронной продукции – образцовым достижением в этой отрасли стали широко популярные радиотранзисторы.

Транзистор, нашедший свое высшее воплощение в крошечной металлической коробке, соединенной с тремя ножками выводных контактов, произвел революцию. Все созданные ранее электрические приборы могли быть усовершенствованы при помощи замены их вакуумных трубок транзисторами, сами устройства стали более подходящими в сфере авиа– и ракетостроения.

Более того, существование этих крохотных, маломощных переключателей, а позже и усилителей и других видов микросхем открыло путь различным изобретениям, которые невозможно было создать с помощью вакуумных трубок. Эти изобретения станут причиной возникновения новых гигантских индустрий, каждая из которых будет больше, чем вся индустрия электроники до сих пор. Домашние аудиосистемы, надежные автомобильные радиоприемники, доступные телевизоры, вездесущее транзисторное радио и, что самое важное, компьютеры.

Компьютеры уже существовали на протяжении десятилетия, но в большинстве своем они были электромеханическими, ограниченными в скорости, часто ломались. Большой скачок, произошедший в США, был связан с системой ЭНИАК и ее вакуумными приборами. Несмотря на то что первые компьютеры, работавшие на базе транзисторов, появились лишь в середине 50-х годов, уже в начале десятилетия стало очевидно, что за этим надежным материалом стоит будущее компьютерных технологий. В это же время холодная война, а также космическая гонка, начавшаяся с запуска советского Спутника-1 в 1957 году, явились гарантией того, что в обозримом будущем государственный спрос на транзисторы будет лишь повышаться.

Вот почему транзисторы получили столь широкое распространение и стали решающим изобретением. Именно за счет более высокой скорости и концентрированности действия эти устройства вскоре станут дешевле, их можно будет уронить с крыши здания (а в будущем и послать в открытый космос), и они продолжат работать. С транзистором технология создания современных интегральных микросхем обрела свой новый порядок. И если сначала путь не был очевиден, и чтобы проложить его, потребовались усилия пары-тройки гениев и тысяч способных инженеров, то впоследствии от транзисторов через интегральные схемы к микропроцессорам вела прямая и ясная тропа.