Een kinderschepje genoeg voor een computer

Voor een goed begrip is het nodig dat we eerst met een stukje geschiedenis beginnen. Vlak na de oorlog, in 1947, werd dè'transistor uitgevonden door de Amerikaanse geleerden Shockley, Bardeen en Brattain. Gezien het belang van deze ontdekking kregen zij in 1956 een Nobelprijs toegekend, alhoewel toen nog niet iedereen zich zal hebben gerealiseerd, dat de transistor feitelijk een nieuw industrieel tijdperk inluidde.

Tot dan toe vormde de vacuümbuis (de „radiolamp") de basis voor de elektronische industrie. De transistortechnologie, gekenmerkt door signaalverwerking in vaste stof (solid-state), zou de vacuümtechnologie gaan vervangen. De voordelen waren er naar: lagere kosten, lager energieverbruik, grotere betrouwbaarheid en aanzienlijk minder slijtage. Al deze voordelen ontmoetten elkaar als het ware in dat ene overheersende kenmerk van de transistor: de verrassend kleine afmetingen. In de ontwikkelingsgeschiedenis, die met de komst van de transistor is ingezet zullen we twee belangrijke momenten nader bekijken.

Na de ontwikkeling van de z.g. planaire transistor van Robert Noyce bleek het nrogelijk om in één silicium-kristal verscheidene transistoren samen met andere componenten (weerstanden) tot een fiinctioneel geheel te combineren. Zo oètstond in 1959 de eerste Geïntegreerde S|hakeiing, later aangeduid als de IC. (v,an Intergrated Circuit), of de chip (chip isvhet Engelse woord voor schijfje of sglinter). jDe volgende belangrijke fase wordt e^ tiental jaren later ingeluid, ais er rejsds dermate veel elektronische componenten (honderden) op één kristal kunnen worden aangebracht, dat de inpassing van de principes van de computertechniek mogelijk, en economisch gezien ook wenselijk wordt. Hiermee is de basis gelegd voor de programmeerbare geïntegreerde schakeling, die in 1971 het licht zag onder de naam microprocessor.

Ontwikkeling van de IC-industrie

Shockley, die zijn onderzoekingen leidend tot de ontdekking van de transistor, in: de Bell Laboratories had verricht, trok naar Palo Alto, in de buurt van San 'Francisco, waar hij in 1957 de Shockley Transistor Corp. vestigde. Een jaar later stichtten acht van zijn medewerkers, m.b.v. een lokale camera-industrie, de Fairchild Camera and Instrument Corp., een halfgeleiderfabriek, waar transistoren en dioden werden vervaardigd. Vanuit Fairchild ontstonden, als appels aan een boom, weer nieuwe industrieën, voor het overgrote deel gesticht door mensen die hun kennis bij Fairchild hadden opgedaan. Zij werden getooid met de dubbelzinnige naam „de fair children" (=de eerlijke kinderen), met als ster van de familie: de Intel Corporation, gevestigd door Noyce en Moore, die in 1971 als eersten de nu zo bekende (beruchte?) microprocessor introduceerden. Talrijke fabriekjes die zo ontstonden zijn hun geboortestreek trouw gebleven, namelijk Santa Clara County, ten zuiden van San Francisco. Dit gebied heeft de betekenisvolle naam gekregen vanwege het basismateriaal Silicium waar de transistor en later ook de geïntegreerde schakeling, de „IC" van werden gemaakt.

Opvallend is het feit dat deze ontwikkeling eerst en vooral een Amerikaanse is geweest. De verklaring moet gezocht worden in de samenhang die zich ontwikkelde tussen de opkomst van de vaste-stof-elektronica en de ontplooiing van de computerindustrie in de USA ten behoeve van de ruimtevaart en de geleide wapens.

Passief en actief

Principieel kunnen we de elektronica beschouwen als een samenspel van passieve en actieve elementen. Passief zijn dioden, weerstanden, condensatoren, spoelen en transformatoren. Actief zijn relais, radiobuizen, transistoren, thyristoren en dergelijke. Deze actievelingen kenmerken zich door hun mogelijkheid om met behulp van weinig energie een grotere energie te beïnvloeden, op dezelfde wijze als de koers van een groot schip met relatief weinig krachtsinspanning via het roer (actief element) kan worden veranderd. Een actief element is dus in staat vermogens-versterking te leveren. Bij de radiobuis zien we een vacuüm (luchtledig) gezogen ruimte waarin een roodgloeiend gestookte kathode elektronen uitzendt die worden opgevangen door een ander stukje metaal, genaamd anode, die op positieve spanning gebracht (t.o.v. de kathode), aantrekkelijk is voor de negatief geladen elektronen. Deze elektronenstroom van de kathode naar anode kan nu „moeiteloos" worden beïnvloed door een in dit trajekt aangebracht roostertje. Door variatie :van de spanning op deze „elektronenkraan" kunnen dus aanzienlijke stroomsterkten worden geregeld. Dit is in het kort de werking van de zo geheten "triode"-buis.

Óp soortgelijke wijze is de werking van de transistor te verklaren, met dien verstande dat het luchtledige van de radiobuis nu is vervangen door een halfgeleider, dat is een materiaal dat een slecht elektrisch geleidingsvermogen bezit. Aanvankelijk viel de keuze op Germanium, later ging men over op siliciumkristallen die uit silicium-oxide, beter bekend als zand, konden worden geproduceerd. Het geheim van Shockley's transistor zit in het feit dat er drie laagjes van dit halfgeleidermateriaal op elkaar worden „gelast" die achtereenvolgens een positieve, negatieve en weer 'n positieve lading bezitten (negatief: te veel, positief: te weinig elektronen). Dit levert de z.g. pnp-transistor op (de volgorde npn is ook mogelijk). Hoewel er destijds halfgeleider-dioden bestonden, opgebouwd uit twee laagjes (pn) en men de weerstand van het grensvlak van buitenaf kon beïnvloeden, betrof de grote ontdekking van Shockley's team het feit dat bij een drie-lagen structuur de beide grensvlakken elkaar beïnvloeden. Men sprak in Amerika van ,,transfer resistor", waaruit later het woord transistor ontstond.

Schijfje

Toen de transistor nog maar in de kinderschoenen stond gewaagde de Britse radarspecialist Dummer in een lezing, gehouden in mei 1952, van de integrale schakeling, waarin een aantal passieve en actieve elementen in één kristalschijfje zouden worden aangebracht. Zijn visie luidde: „Met de komst van de transistor en het werk aan halfgeleiders in het algemeen, lijkt het nu mogelijk om na te gaan denken over elektronische schakelingen in een massief blok, zonder verbindingsdraden. Zo'n blok zou kunnen bestaan uit lagen van geïsoleerde, geleidende, gelijkrichtende en versterkende materialen".

Dummer heeft jaren later volkomen gelijk gekregen, zij het dat het ,,blok" een flinterdun halfgeleider-schijfje bleek te zijn met een oppervlak van slechts enkele mm2 waarop nu, in 1980, meer dan vijfhonderdduizend actieve en passieve elementen met hun onderlinge verbindingsstructuur („bedrading") zijn gerealiseerd. Onder een microscoop ziet een chip met een IC (geïntegreerde schakeling) er uit als een middelgrote stad vanuit de lucht.

Het fabricageproces

Het schone zand van de stranden van Californië is het basismateriaal voor de meeste geïntegreerde circuits ter wereld. Het siliciumbestanddeel wordt aan het zand onttrokken en van verontreinigingen gezuiverd. Bij een temperatuur van 1420° C brengt men deze silicium-brokken hierna tot smelten. Men maakt daar staven van met een bijzonder regelmatige rangschikking van de atomen: de monokristallijne structuur. Deze staven, met een diameter tot ca. 150 mm worden nu m.b.v. een diamantzaag in plakken met een dikte van 0,5 mm gezaagd. Aangezien de componentenstructuur later op fotolithografische wijze wordt aangebracht is het nodig deze plakken vervolgens zéér vlak te slijpen. De uiteindelijke schakelingen, zo'n 250 uit een plak, worden nu gevormd door de zeer zuivere siliciumplak opzettelijk op bepaalde plaatsen van verschillende verontreinigingen te voorzien. Hierdoor ontstaan p- en n-gebiedjes in verschillende configuraties die aanleiding zijn voor de totstandkoming van de vereiste actieve en passieve elementen. De hierbij toegepaste fotolithografische techniek maakt het nu mogelijk structuren tot ca. eenduizendste mm (1 micrometer) aan te brengen, hetgeen neerkomt op een miljoen transistors op een oppervlak van enkele vierkante millimeters! De aldus ontstane micro-elektronische schakelingen worden nu volautomatisch door een computer getest met een snelheid van één schakeling per seconde. Het blijkt dan dat het merendeel moet worden afgekeurd. Van de 250 circuits die op de plak waren geprojecteerd blijven er bijv. maar 100 over. Een van de oorzaken hiervan is stof. Het kleinste stofdeeltje is vergeleken bij de afmetingen van de circuits niets minder dan een dikke kabel! Daarom overtreffen de zuiverheidsnormen voor de produktiezalen van IC-fabrieken die van de beste operatiekamers in ziekenhuizen. Na dit testen, waarbij ieder defect met een rode stip wordt gemerkt, wordt de plak met een glassnijder bewerkt en gebroken in,de individuele schakelingen. Nu volgt de slotfase in de produktie: het monteren van de chips in een behuizing en het onder een microscoop aansluiten van de gouden verbindingsdraden. Deze assemblage is zeer arbeidsintensief en wordt daarom uitbesteed aan dochterondernemingen die in de z.g. lage-loonlanden (Maleisië, Singapore, Taiwan) zijn gevestigd.

De programmeerbare chip

Toen in 1959 bij Fairchild de eerste eenvoudige geïntegreerde schakeling het licht zag (of beter: onder spanning werd gezet) bleek dit het startsein te zijn van een stormachtige technologische ontwikkeling. Konden er in 1964 nog maar ca. 60 componenten op één chip worden gediffundeerd, in 1968 lag de grens van het economisch haalbare reeds op zo'n 250 elementen. Bij doortrekken van deze groeilijn blijkt dat per jaar het aantal integreerbare componenten verdubbelde. Een eenvoudige rekensom leert dan, dat er nu, in 1980 ca. een miljoen elementen op een minuscuul flintertje silicium te verwachten zijn. En dit komt redelijk overeen met de huidige prognoses. Aan deze ongebreidelde groei van de technologische mogelijkheden kleeft echter een groot bezwaar: hoe ingewikkelder de geïntegreerde schakeling, des te gespecialiseerder de toepassing, en des te kleiner het mogelijke afzetgebied. Aangezien de investeringen en de aanloopkosten gigantisch zijn (miljoenen dollars) wordt de produktie van chips pas interessant bij zeer grote aantallen.

Microprocessor

Om uit deze economische impasse te geraken was het noodzakelijk de ontwerpfilosofie van deze grootschalige IC's om te buigen in de richting van meer flexibiliteit en daardoor grotere toepasbaarheid. Geïnspireerd door de computertechniek vond Intel in 1971 een antwoord hierop door het ontwerp van de eerste programmeerbare IC, die weldra de naam microprocessor meekreeg. Het was een volledig universele schakeling, die in beginsel een pakket van zo'n 50 verschillende opdrachten kon uitvoeren. De microprocessor had echter wel een lijst nodig, waarop stond welke van deze opdrachten er achtereenvolgens moesten worden uitgevoerd. Iets technischer gezegd: de microprocessor bezat een instructieset, maar kon daar zonder een externe opdrachtgever niets mee doen. Daarvoor was nodig een programma, dat staat opgetekend in een geheugen, ook uitgevoerd in de vorm van een IC. Hoe ontroerend deze samenwerking tussen microprocessor en programma-geheugen in de relatie werknemer-werkgever ook mogen zijn, er ontbreekt in dit systeem nog de mogelijkheid om te communiceren met de „buitenwereld". Immers, het zal in het algemeen de bedoeling zijn om gegevens (informatie) die worden aangeboden, te verwerken en vervolgens de resultaten weer naar „buiten" af te geven. Dit betekent, dat de genoemde samenwerkingsvorm van microprocessor en geheugen moet worden uitgebreid met een aantal speciale chips, die de input-output voor hun rekening nemen. Dit driemanschap wordt nu een microcomputer genoemd.

In wezen ligt deze organisatie: centrale verwerkingseenheid - geheugen - input/ output ten grondslag aan ieder computersysteem. Een micorcomputer is dus wezenlijk een echte computer, maar dan opgebouwd uit een aantal IC's (chips). Het is zelfs mogelijk de drie genoemde functies op één chip onder te brengen, die dan de „Single Chip Microcomputer"- wordt genoemd. Deze zijn bijv. te vindenin de rekenmachine van de moderne scholier, in de geautomatiseerde weeg-: schaal, in de toekomstige wasmachine enniet te vergeten in de auto van morgen.

Een nieuwe industriële revolutie

De eerste industriële revolutie, die zich in de vorige eeuw voltrok, verschafte de mensheid op grote schaal energie van mechanische aard, opgewekt door stoom, elektriciteit tot "uiteindelijk kernsplijting toe. Men zou kunnen zeggen: de mens kreeg hiermee een verlengstuk van zijn mechanische spierkracht.

In de achterliggende decennia zien we de opkomst van de computer- en telecommunicatietechniek die de laatste vijf jaar in een zeer grote stroomversnelling is geraakt door de bijna ongelooflijke mogelijkheden van de micro-elektronica, gemeenlijk aangeduid als de chip. Deze vloedgolf van kunstmatige intelligentie zal, naar deskundigen voorspellen, pas in de jaren '80 goed merkbaar worden. Vandaar dat velen reeds spreken van een tweede industriële revolutie, die de mens het verlengstuk verschaft van zijn intellect.

De ethiek van de chip heeft reeds vele pennen in beroering gebracht. Vragen over de gevolgen voor de werkgelegenheid en de beïnvloeding van sociale structuren houden velen intensief bezig. Hoe gaan wij met deze nieuwe „talenten" om voor het aangezicht van God?

Deze tekst is geautomatiseerd gemaakt en kan nog fouten bevatten. Digibron werkt voortdurend aan correctie. Klik voor het origineel door naar de pdf. Voor opmerkingen, vragen, informatie: contact.

Op Digibron -en alle daarin opgenomen content- is het databankrecht van toepassing. Gebruiksvoorwaarden. Data protection law applies to Digibron and the content of this database. Terms of use.

Printen