Mikročip: 50. rođendan

Letnji meseci te davne 1958. godine su u laboratorijama Teksas instrumentsa proticali sporo. Za mladog inženjera Džeka Kilbija (Jack Kilby), koji zbog činjenice da je bio tek zaposlen u pomenutoj kompaniji nije imao prava na godišnji odmor, ti meseci su bili ispunjeni mirom i tišinom, a to je bilo sve što je njemu u tom trenutku trebalo. To i laboratorija u kojoj je uporno radio na rešenju jednog od tadašnjih najvećih problema i kočnice daljeg razvoja elektronike.

Naime, Kilbi je radio na rešavanju problema tzv. „tiranije brojeva“, odnosno pokušavao je da pronađe način da međusobno poveže svaki sa svakim veliki broj tranzistora, osnovnih komponenata elektronskih sistema tog vremena. Dugo vremena pre toga inženjeri su pokušavali da reše taj problem i budući da se sa razvojem ideja za primenu elektronskih sklopova povećavao i broj tranzistora i ostalih komponenata neophodnih za realizaciju tih ideja, potreba za opštim rešenjem povezivanja velikog broja komponenata je bila ogromna.

Najbolja rešenja su često i najjednostavnija

Rešenje koje je Kilbi ponudio je bilo više nego jednostavno. Umesto da povezuje tranzistore kao diskretne komponente koje imaju svoje kućište i tri izvoda, Kilbi je tranzistore povezao već u samom poluprovodnuku, osnovnom gradivnom elementu tranzistora. U čemu se sastojala genijalnost Kilbijeve ideje? Ukoliko bi u ruku uzeli tipični tranzistor, primetili bi da on ima plastično ili metalno kućište, najčeće valjkastog oblika i tri izvoda, odnosno žice.

Međutim, to su samo delovi tranzistora koji su načinjeni tako velikim kako bi nama bila olakšana njegova upotreba, dok je deo tranzistora koji je najbitniji sakriven duboko unutar njegovog kućišta. Taj deo je načinjen od poluprovodnika i manji je od 0,01 promila čitave komponente. Umesto da tranzistore povezuje u diskretnoj tehnici (sa sve kućištem i žičanim izvodima) Kilbi je rešio da to obavi već u samom poluprovodniku, gde su tranzistori minijaturnih dimenzija. Uvidevši da je i veliki broj ostalih komponenata (diode, otpornici, kondenzatori, itd.) bilo moguće napraviti od istog poluprovodnika, Kilbi je došao na ideju da ih sve poveže na jednom komadu poluprovodnika, unutar jednog kućišta.

Ta ideja je bila kamen temeljac razvoja elektronike, a samim tim i čitave nauke i tehnologije i života koji nas okružuje.

Kilbi

Kilbi je svoju ideju o monolitnoj (integrisanoj) izradi komponenata predstavio menadžmentu Teksas instrumentsa 12. septembra 1958. tako što je na parčetu germanijuma (jednog od poluprovodnika) žicama povezao jedan tranzistor i nekoliko ostalih komponenata i pred zapanjenim auditorijumom uz pomoć mernih instrumenata dokazao rad takvog elektronskog sklopa. To prvo integrisano elektronsko kolo, približne veličine 10mm x 1,5mm predstavljalo je prvi konstruisani mikročip na svetu. Od tog trenutka broj tranzistora u jednom mikročipu je rastao iz dana u dan, a oblasti primene mikročipova su se nizale jedna za drugom.

Godinu dana nakon Kilbijeve prezentacije, Robert N. Nojs (Robert N. Noyce), koosnivač Intela i Feirčajld semikondaktora podneo je patent Poluprovodničke planarne integrisane strukture, a godine 1960. u Feirčajldu je proizveden prvi mikročip. Doprinos Nojsa je bila u tome što je umesto germanijuma, za osnovu (supstrat) tranzistora iskoristio silicijum, drugi poluprovodnik za koji se kasnije ispostavilo da zbog boljih karakteristika predstavlja povoljnije rešenje, kao i u tome što je umesto žica, za međusobno povezivanje komponenata izrađenih u silicijumu iskoristio sam silicijum. To je u mnogome poboljšalo kvalitet izrađenih integrisanih kola pruživši mogućnost daljeg povećanja gustine pakovanja.

Kilbi i Nojs su za svoje doprinose masovnoj proizvodnji mikročipova nagrađeni američkom Nacionalnom medaljom za nauku. Pored toga, Kilbi je 2000. godine nagrađen i Nobelovom nagradom za fiziku, a sam Kilbi je na svečanosti dodele nagrade iskoristio priliku i da ukaže na veliki doprinos Roberta Nojsa, koji je tada već bio pokojni.

Razvojni put mikročipa

Danas je teško zamisliti život bez mikročipova. Ima ih u svim oblastima naših života: u komunikaciji, medicini, transportu, proizvodnji i prodaji, zabavi; teško da postoji jedna oblast naših života u kojima raznovrsna mogućnost upotrebe mikročipova ne dolazi do izražaja. Ista je stvar i sa naukom. Zahvaljujući mikročipu i napretku tehnologije, uznapredovale su i mnoge nauke, kao i naš pogled na život koji nas okružuje. Mnoge velike kompanije danas se utrkuju u prozvodnji i primeni mikročipova. A nije uvek bilo tako.

Uprkos očiglednim prednostima mikročipa u odnosu na diskretnu tehnologiju (manja cena izrade, bolje performanse, izuzetno manja veličina), bilo je potrebno da prođe određeno vreme pre nego što im je industrija pronašla praktičnu primenu. Kao što to obično i biva sa novim tehnologijama, prvo su vojska i ostale američke vladine organizacije pokazale interesovanje za upotrebu mikročipova. Godine 1961. Teksas instruments je za potrebe američke avijacije napravio tzv. „Molekularni elektronski kompjuter“, uređaj koji je u praksi demostrirao da je bilo moguće zameniti 8500 tranzistora sa 587 mikročipova. NASA je takođe tih ranih šezdesetih pokazivala zainteresovanost za mikročipove: određeni broj mikročipova je bio ugrađen u Apolov kontrolni računar, kao i u Interplanetarnu sondu za monitoring koja je poslata u svemir davne 1963.

Originalan Kilbijev mikroèip

Godine 1962. Teksas instruments je potpisao ugovor sa Autonetiks divižn ov Nort American aviejšon za dizajniranje 22 različita mikročipa koji će se kasnije iskoristiti za Minuteman I i Minuteman II raketne navodeće sisteme. Bila je ovo prva upotreba mikročipa u neke vojne svrhe. Do 1965. američka avijacija je istisnula NASA-u sa vodećeg mesta na svetskoj rang listi kupaca mikročipova.

Koosnivač Intela Gordon Mur (Gordon Moore) je takođe odigrao važnu ulogu u evoluciji mikročipova. U to vreme (1965) još uvek radeći kao direktor u Feirčajldu, Mur je napisao interni rad na temu „Budućnost razvoja integrisane elektronike“, u kome je pokušao da predvidi pravac i tempo razvoja integrisane elektronike u narednih deset godina. Mur je izneo procenu da će broj komponenti po jednom čipu na kraju te godine dostići 65000 i da će se taj broj duplirati svakih dvanaest meseci. Ovakva formulacija razvoja integrisane tehnologije danas je poznata kao Murov zakon i predstavlja osnovu za razvoj računarske industrije u poslednje četiri decenije.

Šezdesetih godina prošlog veka kalkulatori su bili robusne mašine veličine današnjih računara, koje su se uključivale u mrežno napajanje, kako bi uz veliku potrošnju električne energije došli do validnih kalkulacija. Mikročipovi su promenili sve to. Nipon kalkulejting mašin korporejšon je 1969. godine poručila od Intela 12 različitih mikročipova, specijalno dizajniranih za potrebe izrade njihovog najnovijeg kalkulatora, Busicom 141-PF .

Budući da su već uveliko kasnili sa rokom isporuke, tri Intelova inženjera Ted Hof, Federiko Fagin i Sten Mazor predložili su alternativu u dizajnu: izradu familije od četiri mikročipa, od kojih bi jedan mogao biti naknadno programiran za upotrebu u različitim proizvodima. Tako je rođen 4004, prvi mikroprocesor koga je bilo moguće kupiti na slobodnom tržištu. Iako približne veličine od samo 4,5mm sa 3mm, ovaj mikroprocesor je bio u stanju da izvrši isti broj operacija u vremenu kao i njegov daleki prethodnik ENIAC napravljen još 1949, sa jednom razlikom: ENIAC je bio napravljen od 18000 vakuumskih cevi i bio je veličine jedne poveće sobe!

Dalji razvoj, vođen ekonomskim faktorima doveo je sredinom sedamdesetih do pojave LSI (Large Scale Integration) mikročipova sa gustinom pakovanja od desetak hiljada tranzistora po čipu. Čipovi za kalkulatore, razne memorije i prvi mikroprocesori su imali do oko 4000 tranzistora, dok je prava LSI tehnologija osvojena oko 1974., za proizvodnju memorija za računare i mikroprocesore druge generacije. Nakon ovoga je usledio VLSI (Very Large Scale Integration), korak koji traje i dan danas, počevši od nekoliko stotina hiljada tranzistora u ranim osamdestim, preko jednog miliona tranzistora na čipu (1986. u memoriji i 1989. u mikroprocesoru) pa sve do nekoliko milijardi tranzistora (2005. dostignuta jedna milijarda), koliki je red gustine pakovanja današnjih mikroprocesora.

Kuda dalje?

Tranzistor izraðen u diskretnoj tehnici pod rentgenom

Razvoj mikročipova je nezaustavljiv: kako tehnologija napreduje, sve veće gustine pakovanja postaju realnije, što inženjerima pruža mogućnost za realizaciju sve kompleksnijih funkcija unutar jednog čipa. Novi mikročipovi se ugrađuju u uređaje koji pomažu razvoj novih i boljih tehnologija. Sve ovo liči na začaran krug koji kao rezultat ima munjeviti razvoj društva, tzv. informatičku revoluciju.

Gledajući u budućnost, u narednih pedesetak godina, ma koliko to bio smeo i često nepromišljen potez (izuzimajući g. Mura i njegov već pomenuti zakon koji i dan danas važi), usled potrebe za još većom brzinom, manjom potrošnjom energije, kao i usled brige o recikliranju i očuvanju životne sredine, dolazimo do zaključka da će se izgled mikročipa u velikoj meri promeniti. Već sada se vodeće svetske kompanije umesto povećanja radnog takta radije odlučuju za povećanje broja jezgara unutar mikroprocesora.

Takođe, pokušavaju da promene koncept prenošenja informacija unutar mikročipa sa žičanog prenosa na prenos putem svetlosti. Potrebe za sve većom količinom podataka za čuvanje otvaraju pitanje organizacije memorije u kule, tj. u visinu, za razliku od današnje upotrebe planarnih struktura, kao i upotrebu organskih materija za smeštanje memorije. Bilo kako bilo, proslava jednog veka postojanja mikročipa verovatno će nam doneti istu količinu uzbuđenja i divljenja, bilo da posmatramo njegovu evoluciju ili sagledavamo mogućnosti njegovog daljeg razvoja.