Jak powstały układy scalone i mikroprocesory

Przełomowym wynalazkiem było stworzenie układu scalonego, czyli mikroukładu elektronicznego, który w jednej obudowie mieścił wymaganą liczbę tranzystorów i innych elementów od razu właściwie połączonych ze sobą.

Publikacja: 02.07.2020 18:23

Pierwszy układ scalony stworzony przez Jacka Kilby’ego latem 1958 r.

Pierwszy układ scalony stworzony przez Jacka Kilby’ego latem 1958 r.

Foto: Getty Images, Andrew Burton

Urządzenia elektroniczne: radioodbiorniki, telewizory, komputery i setki systemów elektroniki przemysłowej, przez całe dziesięciolecia budowane były z oddzielnych elementów. Brało się garść odpowiednio dobranych tranzystorów, oporników, kondensatorów, czasem także cewek – i łączyło się (lutownicą!) te elementy zgodnie z zaprojektowanym schematem. Znam to bardzo dokładnie, bo sam zbudowałem w taki sposób kilkadziesiąt różnych układów.

Po podłączeniu zasilania zmontowany układ działał albo nie działał. W tym drugim przypadku trzeba było szukać błędu w zbudowanej strukturze. Najczęściej źródłem problemu były tak zwane „zimne lutowania" – miejsca, gdzie mimo pozornego połączenia wybranych elementów przewodność nie była właściwie zapewniona.

Przemysłowe wytwarzanie układów elektronicznych było ułatwione dzięki stosowaniu specjalnych płytek montażowych i układów z drukowanymi połączeniami, ale generalnie budowa układów elektronicznych tą metodą była czasochłonna, uciążliwa (miałem stale poparzone palce od lutownicy), a zbudowane układy były zawodne i często się psuły.

Przełomowym wynalazkiem było stworzenie układu scalonego, czyli mikroukładu elektronicznego, który w jednej obudowie mieścił wymaganą liczbę tranzystorów i innych elementów – od razu właściwie połączonych ze sobą i przykrytych obudową zapobiegającą ich uszkodzeniu. Oczywiście taki układ scalony miał swoje dobrze zdefiniowane przeznaczenie – na przykład był wzmacniaczem, generatorem albo układem cyfrowym, którego funkcjonowanie wynikało ze struktury układu – a zatem dla zaspokojenia różnych potrzeb trzeba mieć wiele różnych układów scalonych o różnym przeznaczeniu. Ale to z kolei korzystnie napędza przemysł.

Powstanie pierwszego układu scalonego

Historia wynalazku układu scalonego wiąże się z firmą Texas Instruments i inżynierem z tej firmy, posiadaczem historycznego patentu (wydanego 6 lutego 1958 r.) na układ scalony, Jackiem Kilbym. Są wprawdzie zwolennicy poglądu, że twórcą pierwszego układu scalonego był fizyk Robert Noyce z Fairchild Semiconductor, ja jednak oprę się na opinii większości historyków, bardzo jednoznacznie wskazujących na Jacka Kilby'ego. Oto kilka faktów z jego życia. Kilby początkowo pracował w firmie w Milwaukee przy budowie układów elektronicznych na potrzeby korpusu łączności armii Stanów Zjednoczonych. W tej firmie zapoznał się z technologią półprzewodnikową, gdyż od 1952 r. wytwarzała ona (na licencji firmy Bell) tranzystory germanowe. W 1958 r. Jack Kilby przeszedł do pracy w potężnej już wówczas firmie elektronicznej Texas Instruments, gdzie w lipcu tegoż roku wytworzył pierwszy układ scalony.

Był to przerzutnik bistabilny, do dziś jeden z podstawowych elementów każdego komputera. 28 sierpnia 1958 r. (w innych źródłach podawana jest data 12 września 1958 r.) przeprowadzono pierwszą demonstrację pracy układu scalonego wytworzonego przez Kilby'ego. Nie był on zbyt ładny, ale w jednym elemencie elektronicznym zbierał funkcje, które uprzednio wymagały połączenia wielu oddzielnych elementów. Obecnie w jednym układzie scalonym może się mieścić nawet kilkaset milionów elementów elektronicznych, co jest kluczem do zwiększenia sprawności i miniaturyzacji współczesnych urządzeń. Trzeba było jednak blisko dziesięciu lat na to, by epokowy wynalazek Kilby'ego został należycie doceniony i wykorzystany. Ale potem zrewolucjonizował on elektronikę, a sam wynalazca doczekał się najwyższej formy uznania, gdyż w 2000 r. dostał Nagrodę Nobla (w dziedzinie fizyki).

Układy scalone mogą być analogowe (na przykład wzmacniacze) albo cyfrowe. Te drugie mogą zawierać w sobie większe lub mniejsze fragmenty struktury komputera, z czym wiąże się zarówno klasyfikacja tych układów, jak i numeracja następnych generacji komputerów.

Pierwsze układy scalone obejmowały poszczególne proste moduły, stanowiące podstawowe „cegiełki" w strukturze komputera: „bramki", układy wykonujące operacje logiczne, przerzutniki, wzmacniacze, generatory itp. Dziś tę skalę scalania określa się skrótem SSI (Small Scale Integration). Potem pojawiła się możliwość scalania w formie pojedynczego układu całych jednostek funkcjonalnych: liczników, rejestrów, dekoderów, multiplekserów itp. Ta skala scalania nazywana jest dziś średnią skalą integracji, w skrócie MSI (Middle Scale Integration). Komputery budowane z takich elementów mogły być znacznie mniejsze i tańsze, a także bardziej niezawodne w działaniu i szybsze.

Mikroprocesor

Prawdziwa rewolucja nastąpiła wtedy, gdy udało się wytworzyć w postaci pojedynczego układu scalonego cały procesor. W układach cyfrowych jest to podstawowy element składowy kalkulatora, tabletu, laptopa, smartfona. Ponieważ taki scalony w jednym układzie procesor miał małe rozmiary, przyjęła się nazwa mikroprocesor, która funkcjonuje do dziś.

Twórcą pierwszego mikroprocesora był Marcian „Ted" Hoff, pracownik firmy Intel, który wynalazł ten rewelacyjny układ elektroniczny w 1969 r. Pierwszy mikroprocesor oznaczono jako Intel 4004. Według obecnych kryteriów był bardzo prymitywny: zawierał 2300 tranzystorów (współczesne mikroprocesory mają ich dziesiątki milionów) i działał na 4-bitowych porcjach informacji (tzw. słowach maszynowych), podczas gdy obecnie standardem są 64 bity. Działał też stosunkowo wolno – tak zwany zegar, nadający rytm pracy mikroprocesora, pracował z częstotliwością 740 kHz (obecne mikroprocesory mają zegary o częstotliwości wyrażanej w GHz – gigahercach, czyli miliardach impulsów na sekundę).

Z powodu wymienionych słabych stron mikroprocesora Intel 4004 nigdy nie użyto go jako „serca" komputera, tylko wbudowywano go w kalkulatory, gdzie doskonale wywiązywał się ze swojego zadania, bo najwolniejszym elementem przy prowadzeniu obliczeń na kalkulatorze jest zawsze człowiek wystukujący liczby na klawiaturze. Natomiast jako ciekawostkę warto odnotować, że nieliczne zachowane do dziś egzemplarze mikroprocesora Intel 4004 są obecnie traktowane jako obiekty kolekcjonerskie i osiągają bardzo wysokie ceny na giełdach staroci (ponad 1000 USD za sztukę!).

Następnym prawie legendarnym mikroprocesorem był 8-bitowy Intel 8080. To dzięki niemu powstały i rozwinęły się mikrokomputery. Następne ważne mikroprocesory w tym pionierskim okresie rozwoju informatyki były już 16-bitowe. Modele o numerach 8086 i 8088 pozwoliły na budowę komputerów osobistych.

Postęp w układach scalonych

Postęp w zakresie tworzenia układów scalonych – coraz większych, sprawniejszych i zawierających coraz więcej elementów był (i jest nadal!) wręcz niewiarygodny. Co więcej, postęp ten ma charakter wykładniczy, co oznacza, że im bardziej wyśrubowane parametry uzyskują układy elektroniczne w pewnym momencie, tym większego przyrostu tych parametrów należy oczekiwać w najbliższym czasie. Opisuje to tzw. prawo Moore'a. Gordon Moore, jeden z twórców firmy Intel produkującej mikroprocesory, wyraził w 1965 r. przypuszczenie, że liczba tranzystorów w kolejnych generacjach układów scalonych podwaja się co 18 miesięcy. Musimy uświadomić sobie, co to znaczy. Załóżmy, że mamy procesor zawierający 10 tys. tranzystorów. Za 18 miesięcy dostępny będzie procesor zawierający 20 tys. tranzystorów. Za kolejne półtora roku liczba ta wzrośnie do 40 tys., po kolejnym okresie będzie to 80 tys., potem 160 tys., 320 tys., 640 tys. – a potem przekroczy milion i dalej będzie coraz szybciej rosła.

Prawo Moore'a sprawdza się do dziś. Wprawdzie okres podwajania liczby tranzystorów trzeba było wydłużyć do 24 miesięcy (dwa lata), ale prawo wciąż działa i powoduje, że współcześnie produkowane układy scalone mają naprawdę zawrotne ilości elementów. Po wspomnianych wyżej układach średniej skali integracji (MSI) przyszły okresy LSI (dużej skali integracji), VLSI (wielkiej skali integracji), USLSI (ultrawielkiej skali integracji) itd. Wynikający z tego rozwoju technologii fascynujący wzrost mocy obliczeniowej komputerów trudno sobie wyobrazić. Porównanie wydajności współczesnych komputerów klasy PC, laptopów, a nawet smartfonów z komputerami pierwszej czy drugiej generacji jest równoważne przesiadce z konnego wozu do rakiety kosmicznej.

Christopher Evans napisał w 1979 r., że gdyby podobny wzrost wydajności dotyczył przemysłu samochodowego, to rolls-royce kosztowałby 2,75 USD i pozwalał przejechać 3 mln mil na jednym galonie benzyny. A przecież od czasu tych obrazowych porównań efektywność systemów komputerowych wzrosła jeszcze miliony razy!

Scalanie całych komputerów

Skoro można było scalić cały procesor, to można też pójść o krok dalej i scalić cały komputer. Od 1976 r. budowane są w związku z tym także układy scalone łączące w jednym monolitycznym „chipie" (układzie scalonym) wszystkie elementy kompletnej jednostki centralnej komputera. Urządzenia takie, zwane sterownikami (ang. microcontroller) lub komputerami jednoukładowymi, nie są jednak wykorzystywane jako komputery obsługujące w sposób typowy ludzi, tylko znajdują dość specyficzne zastosowania (np. przy budowie „inteligentnej" aparatury pomiarowej lub przy automatycznym sterowaniu różnymi procesami – m.in. nowoczesnych robotów).

Pierwszym komputerem jednoukładowym był wyprodukowany w 1976 r. i8048 firmy Intel. Zapoczątkował on całą rodzinę podobnych układów o nazwie MCS-48. Mikrokontrolery z tej rodziny sterują obecnie różnymi urządzeniami codziennego użytku: kuchenkami mikrofalowymi, maszynami do szycia, wtryskiem paliwa do silników samochodowych, a także bardziej rozbudowanymi systemami typu „pilot" (np. do telewizorów i magnetowidów). Jako ciekawostkę można odnotować fakt, że komputer jednoukładowy wykorzystywany jest w maszynach standardu IBM PC do... samej tylko obsługi klawiatury!

Historia
Śledczy bada zbrodnię wojenną Wehrmachtu w Łaskarzewie
Historia
Niemcy oddają depozyty więźniów zatrzymanych w czasie powstania warszawskiego
Historia
Kto mordował Żydów w miejscowości Tuczyn
Historia
Polacy odnawiają zabytki za granicą. Nie tylko w Ukrainie
Historia
Krzyż pański z wielkanocną datą