Kaip atostogų atsisakymas pakeitė pasaulį: pirmosios mikroschemos gimimo istorija
Reklama
Įsivaizduokite: 1958 metų vasara, karšta Teksaso diena, dauguma kolegų išvykę atostogauti, o biure vienišas inžinierius sėdi prie stalo su bloknotu ir svarsto problemą, kuri jau ne vienerius metus kamavo visą elektronikos pramonę. Jis dar buvo naujokas įmonėje, todėl neturėjo teisės į apmokamas atostogas – ir būtent šis, iš pirmo žvilgsnio nereikšmingas biurokratinis niuansas, tapo viena svarbiausių priežasčių, kodėl šiandien nešiojamės kišenėse įrenginius, galingesnius už ištisus praeito amžiaus kompiuterių centrus. Tai istorija apie Jacką Kilby ir pirmosios integrinės grandinės, dažniau vadinamos mikroschema, atsiradimą.
Problema, kurią reikėjo išspręsti
Prieš pasakojant apie patį atradimą, verta suprasti, kokia situacija tuo metu vyravo elektronikos pasaulyje. Šeštojo dešimtmečio pabaigoje elektroninius įrenginius sudarė šimtai ar net tūkstančiai atskirų komponentų – tranzistorių, rezistorių, kondensatorių – kuriuos reikėdavo rankomis sujungti laidais. Šis reiškinys inžinierių bendruomenėje buvo vadinamas „skaičių tironija” (angl. tyranny of numbers). Kuo sudėtingesnę sistemą norėjai sukurti, tuo daugiau komponentų prireikdavo, tuo daugiau jungčių reikėjo sulituoti, ir tuo didesnė tikimybė, kad kur nors atsiras klaida ar gedimas.
Kariuomenė ir kosmoso pramonė reikalavo vis kompaktiškesnės ir patikimesnės elektronikos, tačiau esama gamybos technologija tiesiog nebeatlaikė augančių poreikių. Buvo aišku – reikia iš esmės naujo požiūrio, o ne tik komponentų mažinimo.
Jaunas inžinierius be atostogų teisės
Jack Kilby į kompaniją Texas Instruments atėjo dirbti 1958 metų gegužę. Pagal tuometinę įmonės tvarką, naujai priimti darbuotojai neturėjo teisės į kasmetines atostogas per pirmuosius darbo metus. Kai atėjo liepa – tradicinis Teksaso atostogų metas – dauguma patyrusių inžinierių ir vadovų išvyko poilsiauti su šeimomis. Kilby liko vienas didžiuliame, beveik tuščiame biure.
Vietoje to, kad nuobodžiautų ar tiesiog laukdamas kolegų grįžtant atliktų rutininius darbus, jis nusprendė šį netikėtai atsiradusį laisvą laiką skirti problemai, kuri jį kamavo jau seniai – kaip sumažinti elektroninių grandinių sudėtingumą iš esmės. Tylioje vasaros ramybėje, be nuolatinių pertraukimų ir susirinkimų, jis galėjo galvoti giliau ir laisviau nei bet kada anksčiau.
Būtent tada jam kilo mintis, kuri pakeis technologijų istoriją: o kas, jeigu visus grandinės komponentus – tranzistorius, rezistorius, kondensatorius ir sujungimus tarp jų – pagaminti iš to paties medžiagos gabalėlio, vieno vientiso puslaidininkio kristalo? Užuot gaminęs atskirus elementus ir juos vėliau jungęs laidais, jis siūlė integruoti viską į vieną monolitinę struktūrą.
Idėjos gimimas popieriuje
1958 metų liepos 24 dieną Kilby savo darbo užrašų knygelėje pirmą kartą aprašė šią koncepciją. Jo idėja buvo elegantiškai paprasta, tačiau revoliucinga: jeigu visi elektroninės grandinės komponentai gali būti pagaminti iš to paties puslaidininkio – pavyzdžiui, silicio arba germanio – tuomet nebereikia atskirai gaminti kiekvieno elemento ir jungti jų laidais. Visa grandinė galėtų būti sukurta vienu technologiniu procesu.
Kai rugpjūčio pradžioje grįžo jo vadovai, Kilby pristatė savo idėją. Nors iš pradžių pasiūlymas sulaukė tam tikro skepticizmo – juk tai atrodė pernelyg paprasta, kad būtų tiesa – vadovybė leido jam bandyti tai įgyvendinti praktiškai.
Pirmasis prototipas: kuklus, bet revoliucingas
1958 metų rugsėjo 12 dieną Kilby pademonstravo savo pirmąjį veikiantį prototipą. Tai buvo germanio plokštelė, vos kelių centimetrų dydžio, ant kurios buvo sumontuoti tranzistorius, keli rezistoriai ir kondensatorius, sujungti plonais aukso laideliais. Įrenginys atrodė gana grubiai, primityviai – tarsi mokyklinio projekto rezultatas, o ne technologinė revoliucija.
Tačiau kai jį prijungė prie osciloskopo, įvyko stebuklas: schema veikė kaip osciliatorius, generuodama nuolatinį signalą. Tai buvo įrodymas, kad visa koncepcija veikia praktiškai, o ne tik teoriškai. Ši nedidelė, kukliai atrodanti plokštelė tapo pirmąja pasaulyje integrine grandine – prietaisu, kuris ateityje pakeis visą žmonijos technologinę raidą.
Lygiagreti istorija: Robertas Noisas ir silicio revoliucija
Įdomu tai, kad panašiu metu, visiškai nepriklausomai nuo Kilby, prie panašios idėjos artėjo ir kitas inžinierius – Robertas Noisas, dirbęs kompanijoje Fairchild Semiconductor Kalifornijoje. Praėjus maždaug pusmečiui po Kilby atradimo, 1959 metų pradžioje, Noisas pasiūlė savo integrinės grandinės versiją, kuri naudojo silicį (o ne germanį) ir planarinę technologiją, leidžiančią sujungimus kurti tiesiogiai ant paviršiaus naudojant metalo sluoksnius, o ne atskirus laidelius.
Noiso metodas buvo praktiškesnis pramoninei gamybai, todėl būtent jo požiūris tapo pagrindu šiuolaikinei mikroschemų gamybai. Dėl to abu inžinieriai – ir Kilby, ir Noisas – šiandien pripažįstami kaip integrinės grandinės bendraautoriai, nors jie dirbo skirtingose kompanijose, skirtingais metodais ir net nežinojo apie vienas kito darbą.
Šis lygiagretus atradimas puikiai iliustruoja mokslo istorijos dėsningumą: kai technologijos ir žinios pasiekia tam tikrą brandos lygį, panašios idėjos gali gimti keliose vietose vienu metu, nepriklausomai vienos nuo kitų.
Kodėl tai buvo tokia svarbi revoliucija
Norint suprasti, kodėl integrinės grandinės atsiradimas buvo toks reikšmingas įvykis, verta palyginti „prieš” ir „po” situacijas. Prieš Kilby atradimą, norint sukurti sudėtingą elektroninę sistemą, reikėdavo:
- Rankomis gaminti ir testuoti kiekvieną atskirą komponentą
- Rankomis lituoti šimtus ar tūkstančius jungčių
- Susitaikyti su dideliais gabaritais ir svoriu
- Priimti didelę gedimų tikimybę, nes kiekviena rankinė jungtis buvo potenciali silpnoji vieta
- Mokėti brangiai už kiekvieną sudėtingesnę sistemą
Po integrinės grandinės atsiradimo situacija pamažu, tačiau negrįžtamai pasikeitė. Visus komponentus tapo galima sukurti vienu technologiniu procesu ant vieno puslaidininkio gabalėlio. Tai reiškė mažesnius gabaritus, didesnį patikimumą, mažesnę savikainą masinės gamybos atveju ir, svarbiausia, galimybę toliau miniatiūrizuoti technologiją beveik be jokių fizinių ribų (bent jau tuo metu taip atrodė).
Nuo laboratorinio prototipo iki kišeninio kompiuterio
Pirmosios integrinės grandinės buvo gana paprastos ir turėjo vos kelis komponentus. Tačiau technologijos vystymasis nuo tada vyko stulbinančiu greičiu. 1965 metais Intel bendraįkūrėjas Gordonas Moore’as pastebėjo ir apibendrino tendenciją, kuri vėliau buvo pavadinta Moore’o dėsniu: tranzistorių skaičius mikroschemoje maždaug padvigubėja kas dvejus metus, o kaina lieka panaši arba mažėja.
Šis dėsningumas, nors ir pradėtas peržengti pastaraisiais metais dėl fizinių ribų, dešimtmečius varė pirmyn visą skaitmeninę revoliuciją. Nuo kelių tranzistorių 1958 metų prototipe iki šiuolaikinių procesorių, kuriuose telpa dešimtys milijardų tranzistorių viename lusto gabalėlyje, mažesniame nei žmogaus nago plotas – tokia buvo mikroschemos kelionė per mažiau nei septynis dešimtmečius.
Be integrinės grandinės nebūtų buvę nei asmeninių kompiuterių, nei interneto, nei išmaniųjų telefonų, nei kosminių misijų į Mėnulį ar Marsą, nei šiuolaikinės medicinos įrangos. Praktiškai kiekvienas elektroninis prietaisas, kuriuo naudojamės kasdien, egzistuoja tik todėl, kad 1958 metų vasarą vienas jaunas inžinierius, likęs be atostogų, nusprendė laisvą laiką skirti problemai, o ne nuoboduliui.
Pripažinimas, kuris atėjo su vėlavimu
Nors Jack Kilby idėja pasirodė esanti proveržis, tikras pasaulinis pripažinimas atėjo ne iš karto. Prireikė dešimtmečių, kol integrinės grandinės technologija subrendo tiek, kad taptų kasdienio gyvenimo dalimi, ir kol istorikai bei mokslo bendruomenė galutinai įvertino šio atradimo mastą.
2000 metais, praėjus daugiau nei keturiasdešimčiai metų nuo to lemtingo vasaros biuro, Jack Kilby buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija „už integrinės grandinės išradimo dalį”. Deja, Robertas Noisas šio pripažinimo nesulaukė – jis mirė 1990 metais, dar prieš apdovanojimą, o Nobelio premija po mirties neteikiama. Tačiau technologijų istorijoje abiejų vardai liko neatsiejamai susiję su mikroschemos gimimu.
Pamoka, kurią verta prisiminti
Ši istorija yra kur kas daugiau nei tik technikos istorijos anekdotas. Ji primena, kad kartais reikšmingiausi pasaulio pokyčiai gimsta ne per didelius, gerai suplanuotus projektus, o per netikėtas, iš pirmo žvilgsnio nepatogias aplinkybes – tuščią biurą, atšauktas atostogas, laisvą laiką, kurio niekas nesitikėjo. Svarbiausia buvo tai, kaip Jack Kilby šį laiką panaudojo: ne pasyviai laukdamas, o aktyviai ieškodamas sprendimo problemai, kuri atrodė neišsprendžiama.
Šiandien, kai laikome rankose išmanųjį telefoną ar dirbame prie nešiojamojo kompiuterio, verta bent trumpai prisiminti tą karštą 1958 metų Teksaso vasarą ir vienišą inžinieriaus stalą tuščiame biure – vietą, kurioje prasidėjo skaitmeninio amžiaus istorija.
