Časová osa Chipu: Tranzistory

Mikročipy se skládají z milionů tranzistorů – základních komponent elektroniky, kterých už je nyní více než hvězd v mléčné dráze.
CHRISTOPH SCHMIDT

Každý rok se na světě vyrobí zhruba deset trilionů tranzistorů. Pro každého ze sedmi miliard lidí na zemi je to asi 45 tranzistorů za sekundu. Důvod těchto nepředstavitelných čísel je celkem jasný – tranzistory jsou nejdůležitější součástí integrovaných obvodů. Mikročipy, které najdete téměř v každém elektronickém zařízení, se skládají se statisíců až milionů tranzistorů. Samotný tranzistor je přitom pouze schopen zesilovat a řídit proud. Pokud dáte více tranzistorů dohromady, můžete ukládat a zpracovávat binární informace (0 nebo 1).

Myšlenka: Proud ovládá proud

Základní princip tranzistoru, tedy ovládání proudu, byl objeven už v devatenáctém století. Po dlouhou dobu se však pro tento úkol používala elektronická součástka zvaná elektronka. Elektronka usměrňuje nebo zesiluje elektrické signály a skládá se z několika elektrod (katoda, anoda, mřížka). Elektrody jsou od sebe odděleny a musí být umístěny v uzavřené a většinou skleněné baňce, z níž je vyčerpán vzduch (je zde tedy vakuum). Vypadá trochu jako lampa, a byla tak i označována. Její konstrukce je poměrně složitá, citlivá a z hlediska výroby drahá. Tranzistor má zcela odlišné složení a především velikost. Konstrukce i složení tranzistoru jsou jiné – jeho hlavní součástí je polovodič, tedy většinou křemík. Uspořádání je mnohem rozumnější a kompaktnější než v případě elektronky, což byl základní předpoklad pro rychlý nástup této technologie.

Menší je lepší: Miniaturizace

Tranzistor byl vynalezen v Bellových laboratořích v roce 1947 a jednalo se o skutečně významný objev, za který byla jeho vynálezcům udělena Nobelova cena. Tranzistory se staly populární už v polovině padesátých let – trh zaplavily například "tranzistoráky", tedy přenosná rádia, jejichž zmenšení umožnilo právě použití transistorů místo elektronek.
Americký fyzik Robert Noyce (pozdější zakladatel Intelu) využil pokračující miniaturizaci tranzistorů a v roce 1959 sestrojil integrovaný obvod, který se skládal z několika tranzistorů. Ještě před ním zkonstruoval integrovaný obvod Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments, který za to dostal Nobelovu cenu. Myšlenka vyrobit celý obvod s více tranzistory na křemíkové desce položila základy moderní mikroelektroniky. Vývoj integrovaných obvodů (IO) pak postupoval podle tzv. "Mooreova zákona". Gordon E. Moore, další spoluzakladatel Intelu, předpověděl, že počet tranzistorů v integrovaných obvodech se každé dva roky zdvojnásobí. Toto pravidlo v podstatě platí i po padesáti letech – hlavně proto, že se velikost tranzistorů daří neustále zmenšovat. G. Moore však předpokládá, že okolo roku 2025 toto dlouhotrvající smršťování narazí na svoji hranici a další miniaturizace už nebude z fyzikálních důvodů možná. Ani poté by se však samozřejmě vývoj neměl zastavit a diskutuje se o řešeních. Čipy by mohly být větší nebo by mohly mít více vrstev. Každopádně alespoň do té doby se bude počet vyrobených tranzistorů neustále zvyšovat, a to až v astronomických měřítkách.
AUTOR@CHIP.CZ

Časová osa

1883
Thomas Alva Edison
Princip vakuové diody objevil tento americký vynálezce při experimentování se žárovkami. Zjistil, že mezi rozžhaveným vláknem a studeným drátem může téci proud. Objev si nechal patentovat.
1926
Trojitá elektronka
Byl představen radiopřijímač Loewe OE 333 s trojitou elektronkou, kterou společně vyvinuli zakladatel firmy Siegmund Loewe a fyzik Manfred von Ardenne. Trojitá elektronka bývá označována jako první integrovaný obvod na světě.
1934
První tranzistor
Německý fyzik Oskar Heil vyvinul první obvod podobný tranzistoru. Jeho princip objevil už v roce 1925 Julius Edgar Lilienfeld, nebyl ho ale schopen realizovat v praxi.
1947
Krádež patentu?
První bipolární tranzistor byl vyroben v amerických laboratořích Bell Lab patrně na základě nápadu Juliuse Edgara Lilienfelda z roku 1926. Týmu vynálezců byla za tento objev v roce 1956 udělena Nobelova cena za fyziku.
1948
John R. Pierce z Bellových laboratoří dal tranzistoru jméno. Jde o spojení slov "TRANSfer a ResISTOR".
1957
Akkord Peggie
V Evropě se začala vyrábět první tranzistorová rádia.
1970
CADC
Jedním z prvních mikroprocesorů byl "Central Air Data Computer", tajně vyvinutý pro proudovou stíhačku US Grumman F-14A "Tomcat".
1972
Unicom 141P
Tato kalkulačka se stala prvním zařízením s mikroprocesorem Intel 4004.
Intel 4004
192 tranzistorů na mm2
1981
IBM-PC 5150
První "osobní počítač" s procesorem Intel 8088. Jeho vznik umožnila miniaturizace tranzistorů.
1985
Intel 80386DX
2 750 tranzistorů na mm2
1996
AMD K5
23 757 tranzistorů na mm2
2003
AMD Athlon XP "Barton"
537 624 tranzistorů na mm2
2007
iPhone
Procesor použitý ve smartphonu iPhone, který obrátil celý trh naruby, je menší než 2 mm2. Přesto je výkonnější než procesor v osobním počítači před deseti lety.
2011
Intel Sandy Bridge
4 606 489 tranzistorů na mm2
TREND
Miniaturizace tranzistorů je stále obtížnější. Výzkumní pracovníci již uvažují o jejich nejmenší teoretické verzi – o tranzistorech na atomární úrovni, jejichž rozměr je určen velikostí jednoho elektronu. Takovéto tranzistory opět odsoudí dnešní tranzistory do pozice zastaralých elektronek.


Foto: Miniaturizace Stále více a více tranzistorů (viz obrázek) na stejné ploše umožnilo rychlý růst výkonu počítačů.
Foto: Spoluzakladatel Intelu, Gordon E. Moore, předpověděl už v roce 1965 vývoj v oblasti tranzistorů.