Transistoren

transistoren var den revolutionerende erstatning for vakuumrøret, som havde været i hjertet computere i første halvdel af det 20. århundrede. Vakuumrør i sig selv havde kun to hovedproblemer: De var strømhungrige og de var relativt store. I forhold til deres udskiftninger, altså. De havde også en tendens til at brænde ud eller lække under operation, hvilket kunne vise sig katastrofalt.

I 1947 John Bardeen og Walter Brattain sammen med William Shockley, deres chef hos Bell Labs, med succes forstærket en elektrisk strøm ved hjælp af germanium. Denne "point-contact transistor", som den blev kaldt, blev snart brugt til at fremskynde databehandling og til at gøre computere mindre og mere effektive.

Et godt eksempel på transistoren og vakuumrøret er konstruktionen af ​​ Manchester Computers, udviklet ved University of Manchester. Den første, Small-Scale Experimental Machine (SSEM) (udviklet i 1947), var et moderne testbed for nye innovationer inden for computing, såsom Williams-røret. Men det brugte stadig vakuumrør. Den havde 550 ventiler og tog ind 3500 watt.

SSEMs efterfølger, Manchester Mark 1 (udviklet i 1949), var meget mere kraftfuld. Det brugte 4050 ventiler og forbrugte 25.000 watt strøm. Alligevel brugte den passende navngivne Transistor Computer, bygget i 1955, kun 200 transistorer og 1.300 dioder og brugte kun 150 watt. Det var ikke den første computer, der udelukkende brugte vakuumrør, men det var et stort skridt fremad.

Det er svært at sige nøjagtigt, hvorfor transistoren blev oprettet, da den var (jeg svarer på den sidste del af dit spørgsmål nu), men det kunne argumenteres for, at de beregningsmæssige fremskridt under 2. verdenskrig (såsom Harvard Mark I) sikrede, at mange nye fremskridt ville blive gjort inden for databehandling; transistoren var tilfældigvis en af ​​dem.

Det integrerede kredsløb

Det integrerede kredsløb, udviklet omkring et årti efter transistoren, havde også dybe virkninger på computeren. Det blev udviklet af Jack Kilby i 1958 - selvom mange andre var involveret undervejs, og der er uenigheder om, hvem der skulle få æren for at opfinde det først - i Texas Instrumenter. Han brugte halvledere til at oprette en hel computerchip - det integrerede kredsløb.

Et integreret kredsløb kan indeholde utrolige mængder transistorer, og det er denne kompleksitet og kompaktitet, der gør det så nyttigt . Produktion var også meget lettere og hurtigere. Integrerede kredsløb startede en anden computerrevolution, som lagde grunden til billigere computere, der kunne være tilgængelige for masserne.

Nu hvor spørgsmålet er fokuseret på overgangen mellem vakuumrør og transistorer, jeg ' vil gerne tilføje noget om halvledere, fordi de spiller en nøglerolle i transistorer.

Halvledere giver mulighed for god ledning af elektricitet, men en af ​​deres virkelig nyttige egenskaber er, at deres ledning kan modificeres i en proces kaldet halvlederdoping. Dette tilføjer "urenheder" til halvlederen og tilføjer enten elektroner eller huller. Halvledere kan være af n-type eller p-type - n-type halvledere har et overskud af elektroner, mens p-type halvledere har et overskud af huller. Disse kan kombineres for at danne en diode.

En anden relevant udvikling var oprettelsen af ​​ Czochralski-processen, som gør det muligt at dyrke krystaller til halvledere. Dette involverer også doping af halvledere og har gjort det muligt at producere halvledere i stor skala, hvilket gør det lettere at bygge transistorer.

Er der andre teknologier, der har været afgørende for computerudvikling? Selvfølgelig. Jeg kunne nævne vakuumrøret, katodestrålerøret, solid state-drev og en række andre som afgørende for computerudvikling. Men transistoren og det integrerede kredsløb var de to hovedaktører i udviklingen af ​​den "moderne computer" i den relevante tidsperiode her - midten af ​​det 20. århundrede. Jeg formoder, at du kunne gøre sager om andre teknologier, men jeg vil bestemt placere dem øverst på listen.

Jeg er stadig forvirret over, hvad du mener med "tekniske fremskridt". For mig er ting som vakuumrør, transistorer og IC'er teknologier , og ingeniørarbejde handler om anvendelse disse teknologier på problemer i den virkelige verden, såsom bygning af computere.

Ingeniører har typisk taget hver tilgængelig teknologi til sin praktiske grænse - til det punkt, hvor andre problemer bliver dominerende. Eksempler på dette vil omfatte:

• Evnen til at bearbejde de enkelte dele af Babbages mølle med tilstrækkelig præcision, så den fungerede nøjagtigt og pålideligt. Dette blev grænsen for, hvor kompleks en mekanisk regnemaskine kunne være.
• Gør vakuumrør pålidelige nok til, at du kunne betjene titusinder af dem i mindst et par timer før en af dem brændte ud. Dette blev grænsen for, hvor kompleks en vakuumrørcomputer kunne være.

Er det de slags engineering -problemer, du leder efter?

Med integrerede kredsløb, den nuværende mainstreamteknologi, inkluderer ingeniørproblemer ting som mindste funktionsstørrelse, statisk og dynamisk spredning og defektdensiteter. Det er et komplekst problem at finde den bedste kombination af parametre, der resulterer i de mest omkostningseffektive (og rentable!) Chips.

Hvordan tillod opdagelsen af ​​vakuumrør, transistorer og integrerede kredsløb folk til at "konstruere" computere på en måde, som de ikke havde gjort det før?

Som jeg sagde, begrænsede de fysiske egenskaber ved mekaniske dele og evnen til at bearbejde dem præcist både hastighed og kompleksiteten af ​​mekaniske og elektromekaniske (relæbaserede) computere.

Evnen til masseproduktion af pålidelige vakuumrør gjorde det muligt at bygge rent elektroniske kredsløb, der matchede (og til sidst overskredet) kompleksiteten af ​​relæbaseret logik, mens de kørte med meget højere hastigheder: snesevis og hundrede kHz snarere end ti cyklusser pr. sekund eller mindre. Pålideligheden af ​​rørfilamenterne blev dog til sidst det dominerende problem, når computere kom til det punkt, at de havde brug for titusinder af dem.

Udviklingen af ​​transistoren tillod, at kredsløb blev krympet med mindst en ordre af størrelsesorden, men vigtigere, MTBF for transistorer oversteg den for rør med flere størrelsesordener. Begge disse fordele muliggjorde udviklingen af ​​mere komplekse computere. Men den fysiske størrelse af transistoren i dens pakke udgjorde stadig et problem med hensyn til computerens størrelse, og det store antal diskrete forbindelser præsenterede stadig et pålidelighedsproblem.

Det integrerede kredsløb har løst begge disse problemer, hvor millioner af transistorer er klemt ind i det volumen, som en enkelt diskret transistor kræver, og forbindelserne foretages ved at mønstre metal direkte på IC-overfladen. Både computerens kompleksitet og hastighed er vokset med stormskridt, da vi lærte at skabe stadig finere mønstre på overfladen af ​​chipsene. Vi er først lige begyndt at se nogle grundlæggende grænser for, hvor langt vi kan skubbe dette, før vi har brug for en ny grundlæggende teknologi.

HDE 226868 nævnte allerede transistoren i detaljer, så jeg vil tilføje mange, mange teknologiske fremskridt og teoretiske baggrunde for computerens udvikling.

• Metallurgi stærk>
  For massemarkedet har du brug for billige og pålidelige metoder til at producere de ønskede elektroniske elementer. Til masseproduktion har du brug for integrerede kredsløb, og det betyder, især hvis du går ned til små dimensioner, har du brug for homogent basismateriale af høj kvalitet. Kun med siliciumskiver i høj kvalitet var dette muligt, og mens Czochralski-processen fra 1916 er billigt, det gav ikke så gode resultater for silicium som zone smeltning, som blev opfundet 1950/51.

• Boolsche Algebra und Cybernetics . Den logiske algebra udviklet af Boole tillod at bygge computere på binære tilstande. Hvis du nogensinde har haft fornøjelsen at prøve at bruge decimalsystemer på en elektronisk maskine (BCD), kan du se, hvor utroligt lettere det er at implementere logiske og numeriske funktioner. Med stigende kompleksitet var det også nødvendigt at opfinde den nødvendige baggrund for at udvikle og kontrollere komplekse elektroniske systemer, så cybernetik som en ny undersøgelse begyndte at udvikle sig. Det kan virkelig ikke undervurderes, hvad Babbage og senere von Neumann gjorde: I stedet for at bygge specialiserede modeller til opgaver, de opfandt ideen om en programmerbar maskine: Giv enkle byggesten med kommandoer og udtryk din løsning med disse enkle kommandoer i stedet for at kablere maskinen igen (Måske er der stadig nogle mennesker her, der bogstaveligt talt "omprogrammerede" computere ved at kablet dele til!). Tillad betinget udførelse. Behandl data og program som enhed. Den almindelige computer blev født.

• Fotografi og kemi Kun fotografering var i stand til at give folk mulighed for at nedskalere udviklede løsninger billigt, robust og effektivt. Uden fotolitografi og udvikling af kemikalier, der muliggør ætsning af mikroskopiske strukturer, kunne computere være små, men de ville være ekstremt dyre.