Ušetřete

Hlavní navigace

Polovodičová technologie používaná u mainframů druhé a třetí generace

Dnes si řekneme, jak byl vývoj mainframů ovlivněn polovodičovou technologií, tj. zpočátku zejména polovodičovými hrotovými diodami, které byly v polovině padesátých let doplněny bipolárními tranzistory. Zmíníme se také o vlivu miniaturizace a především integrovaných obvodů na další vývoj výpočetní techniky.

Obsah

1. Polovodičová technologie používaná u mainframů druhé a třetí generace

2. Vznik diskrétních polovodičových součástek

3. Polovodičové diody

4. Bipolární hrotové tranzistory

5. Symposium firmy AT&T v roce 1952

6. Společnost Philips a její vstup na trh s bipolárními tranzistory

7. První počítače používající tranzistory namísto elektronek

8. Od diskrétních součástek k integrovaným obvodům

9. Odkazy na Internetu

1. Polovodičová technologie používaná u mainframů druhé a třetí generace

V předchozích částech seriálu o historii vývoje výpočetní techniky jsme se seznámili již s poměrně velkým množstvím sálových počítačů i minipočítačů, které byly konstruovány od roku 1948 až do začátku sedmdesátých let minulého století (výjimkou jsou jen superpočítače Cray vyráběné o jedno až dvě desetiletí později). Zatímco první typy samočinných programovatelných počítačů byly založeny především na technologii relé, popř. na kombinačních a sekvenčních logických obvodech zkonstruovaných s využitím elektronek, začaly se již v polovině padesátých let minulého století objevovat první prototypy počítačů, v nichž byly využity zpočátku polovodičové diody a posléze i bipolární tranzistory. Použití polovodičové technologie umožnilo na jedné straně snížit příkon počítačů i jejich velikost, na straně druhé pak zjednodušilo konstrukci strojů vhodných pro využití ve vojenské technice, například v systémech pro navigaci letadel (i když právě systémy založené na elektronkách se ve vojenské technice používaly velmi dlouho, například kvůli větší odolnosti elektronek vůči radiaci).

Obrázek 1: Nákres prvních typů hrotových diod, v nichž byl realizován přechod typu polovodič–kov (nikoli dvojice polovodičů).

Technologie používané pro konstrukci mainframů byly zpočátku mnohem důležitější, než jejich programové vybavení, proto se také počítače začaly dělit na jednotlivé generace právě na základě použité technologie. V následující tabulce jsou stručně vysvětleny rozdíly mezi jednotlivými generacemi počítačů (dnes se již toto dělení příliš často nepoužívá):

Generace Časové období Stručná charakteristika
0. do roku 1947 mechanické a elektromechanické spínací prvky, relé, programy realizovány pomocí přepínačů, data na děrných štítcích
1. 1946 – 1958 relé a elektronky jako spínací prvky, akustické zpožďovací linky a Williamsovy trubice tvořící operační paměť
2. 1958 – 1965 diody a tranzistory jako spínací prvky, feritová paměť tvořící operační paměť
3. 1965 – 1975 integrované obvody SSI a MSI, feritové či polovodičové paměti, začínají se již objevovat pevné disky
4. od roku 1975 integrované obvody LSI a LVSI (popř. VHLSI a ULSI neboli „megačipy“), pevné disky, později magnetooptické a optické externí paměti

Obrázek 2: Části, ze kterých se skládají hrotové diody využívající přechodu mezi wolframovým drátkem a polovodičem (zde konkrétně germaniem s příměsí tvořící polovodič typu N).

2. Vznik diskrétních polovodičových součástek

Vývoj v oblasti polovodičové technologie, především pak vznik tranzistoru a posléze i prvního integrovaného obvodu (IC), je právem považován za jeden z nejdůležitějších technologických přínosů dvacátého století, i když například někteří komunističtí „vizionáři“ z ČSSR dokázali zcela vážně pronášet věty typu: „Nebudeme vyrábět polovodiče, počkáme si na celovodiče“ (traduje se, že tuto vskutku originální myšlenku pronesl ministr těžkého strojírenství) nebo „Tranzistory se vyrábět nebudou, protože je nikdo nepotřebuje“. I když vývoj reálně použitelných polovodičových součástek skutečně probíhal teprve ve dvacátém století, sahá historie polovodičů až do roku 1821, kdy Thomas Seebeck objevil a popsal polovodičové vlastnosti síranu olovnatého. Další objev učinil v roce 1833 Michael Faraday, který popsal teplotní citlivost polovodičů a v roce 1873 citlivost selenu na světlo. V roce 1874 popsal Ferdinand Braun nelineární závislost proudu na napětí u některých typů látek (naproti tomu u běžných vodičů platí za obvyklých podmínek Ohmův zákon, tj. lineární závislost protékajícího proudu na napětí).

Obrázek 3: Fotografie germaniové hrotové diody. Právě tyto typy diod se používaly jak ve výpočetní technice (kde byly později nahrazeny diodami křemíkovými), tak i – po malých konstrukčních úpravách – ve VF technice.

Ferdinandu Braunovi se roku 1875 bezděčně podařilo udělat i další důležitý objev – působení usměrňovače, i když prakticky se usměrňovače typu kov–krystal začaly používat až o zhruba třicet let později. Výzkum neprobíhal jen ve fyzikální oblasti, ale i v chemii. Izolace jednoho z nejdůležitějších polovodičových prvků – křemíku – se podařila již v roce 1823 a o rok později J. J. Berzelius poprvé vyzkoušel postup pro čistění křemíku. Ovšem křemík se v polovodičové technice začal ve větší míře používat až po roce 1945, kdy Eberhard Spenke získal dostatečně čistý křemík s čistotou dosahující až 99,9999% a navíc vytvořil postup vhodný pro vyčištění a pěstění křemíkového krystalu, který bylo možné použít i v průmyslové výrobě (nejednalo se tedy o složitě opakovatelný laboratorní pokus). Před rokem 1945 se však namísto relativně běžného křemíku používalo germanium, galenit nebo selen. Usměrňovače vytvořené na bázi germania nebo galenitu se mj. využívaly i v populárních krystalkách.

Obrázek 4: Voltampérové charakteristiky některých typů polovodičových usměrňovačů, ať již polovodičových diod založených na germaniu a křemíku, tak i dnes již nepoužívaných selenových a kuproxidových usměrňovačů. Z těchto průběhů je patrné, že nejlépe usměrňují křemíkové diody, zatímco diody germaniové mají nižší difúzní napětí, tj. napětí, které je nutné v propustném směru překonat, aby diodou začal protékat proud (větší než zbytkový).

3. Polovodičové diody

První polovodičovou součástkou, která se začala při konstrukci sálových počítačů uplatňovat, byla hrotová polovodičová dioda, s jejímž použitím v analogové technice se můžeme setkat již v prvních dvou desetiletích minulého století. Na druhém obrázku je zobrazen řez hrotovou diodou, jejíž hlavní součástí je wolframový drátek a germanium, přičemž v místě jejich styku je vytvořen proudovým impulsem polovodičový přechod. Z diod a rezistorů je sice možné sestavovat základní logické členy typu AND a OR, ovšem při zapojení většího množství těchto členů za sebe (tj. při konstrukci běžných kombinačních logických sítí) dochází k postupnému snižování úrovní signálů způsobených mj. úbytkem napětí na diodách (cca 0,2 V u germa­niových diod a 0,7 V u diod křemíkových). Z tohoto důvodu je nutné úrovně logického signálu po průchodu několika logickými členy obnovovat, k čemuž se u prvních počítačů využívajících polovodičové diody používaly mj. i elektronkové zesilovače – v tomto případě tedy docházelo k prolínání polovodičové technologie a vakuové techniky.

Obrázek 5: Logické hradlo typu NAND vytvořené v technologii DTL (resp. v jedné z variant DTL). Jednoduchost zapojení je vyvážena horšími statickými i dynamickými vlastnostmi hradla, proto se později přešlo na složitější technologie, například TTL, kde je sice hradlo realizováno větším množstvím elektronických prvků, ale jeho charakteristiky jsou lepší (zatížitelnost výstupů, odolnost proti šumu, výraznější rozdíl mezi logickou nulou a jedničkou na výstupu nezávisle na zatížení atd.)

Některé typy počítačů byly založeny téměř výhradně na polovodičových diodách. Jeden z těchto strojů jsme si již v předchozích částech tohoto seriálu popsali: jednalo se o dosti neobvyklý počítač Setuň (v azbuce Сетунь), který byl v průběhu let 1956 až 1958 navržen a sestrojen v Moskevské státní universitě mladým týmem složeným z čerstvých absolventů, jehož vedoucím byl S. L. Sobolev. Sobolev a jeho tým při návrhu počítače Setuň zvolil za základní stavební prvky polovodičové diody a feritové paměti, protože relé či elektronky nevyhovovaly účelům, pro které měl být počítač používán (nemělo se jednat o žádnou kopii obrovských počítačů typu Ural či Strela). Z polovodičových diod a dalších prvků byla sestrojena hradla pracující na principu prahové logiky (pracující v případě počítače Setuň v trojkové soustavě). V těchto letech se polovodičové diody začaly využívat i pro realizaci velmi rychlých pamětí typu ROM, které byly používány jak pro uložení zavaděče operačního systému (řekněme moderně bootloaderu), tak i při realizaci mikroprogramových řadičů (viz též úterní článek na toto téma).

Obrázek 6: Logické hradlo typu NOR vytvořené v technologii DTL.

4. Bipolární hrotové tranzistory

Polovodičové diody jsou sice doposud velmi důležitou elektronickou součástkou, ovšem z hlediska vývoje (nejenom) výpočetní techniky je mnohem důležitější objev tranzistoru a jeho použití při zesilování signálu a spínání. První funkční zesilovač postavený na bázi polovodičového hrotového tranzistoru z germania (+ příměsí nutných pro vytvoření polovodičů typu P a N) byl představen již v prosinci roku 1947, ovšem před zahájením průmyslové výroby tranzistorů a jejich následným použitím ve výpočetní technice bylo nutné vyřešit velké množství technologických problémů, protože zpočátku nemohly tranzistory, především z hlediska spolehlivosti, konkurovat již zavedené technologii elektronek. V rámci řešení technologických problémů se například v oblasti výpočetní techniky zavedlo používání plošných tranzistorů na úkor evolučně starších tranzistorů hrotových, u nichž bylo nutné velmi přesně umístit všechny tři kovové hroty, jinak docházelo k velkým rozptylům parametrů součástky (křemíková planární technologie začala být používána až v roce 1960).

Obrázek 7: Prototyp bipolárního tranzistoru typu PNP zkonstruovaný v roce 1952 v Bellových laboratořích (viz též informace uvedené v následující kapitole).

Relativně levná a především masová průmyslová výroba tranzistorů začala v USA již počátkem padesátých let minulého století. To se však jednalo především o tranzistory vhodné pro aplikace v analogových obvodech – tyto tranzistory se používaly pro konstrukci zesilovačů a oscilátorů. První firmou specializovanou na výrobu polovodičů se již v roce 1954 stala společnost Texas Instruments, která byla následována firmami Fairchild, Shockley Semiconductor Laboratory (William Shockley byl jedním z vynálezců tranzistorů), National Semiconductor a o cca 12 let později (konkrétně v roce 1968) i firmou Intel. Původně se tranzistory využívaly zejména ve vojenské a kosmické technice, což je ostatně logické, protože zpočátku byly tranzistory dražší než obvodově srovnatelné elektronky (jedním z důvodů tohoto zdánlivého paradoxu byla malá výtěžnost při výrobě tranzistorů). Například v roce 1956 byl zahájen projekt pro řízení raket Polaris pomocí počítačů založených na germaniových tranzistorech a v roce 1958 se v družici Explorer I (americké odpovědi na Sputnik) použily obvody obsahující germaniové i křemíkové tranzistory (v tomto roce mimochodem Jack Kilby představil svůj první integrovaný obvod – viz další text).

Obrázek 8: Komerčně vyráběný germaniový bipolární tranzistor typu 2T11 z roku 1955.

5. Symposium firmy AT&T v roce 1952

Z hlediska dalšího vývoje polovodičové techniky mělo velký význam sympozium organizované společností AT&T, přesněji řečeno její divizí Bell Labs (kde vznikly jedny z prvních prototypů tranzistorů), které se konalo v roce 1952. Původně se mělo jednat o jedinou osmidenní konferenci, kde vstupné pro jednu osobu činilo 25000 dolarů, ovšem vzhledem k velkému zájmu ostatních technologických firem se symposium několikrát opakovalo i přes poměrně velké vstupné (asi netřeba opakovat, že 25000 dolarů v roce 1952 a 25000 dolarů v roce 2011 jsou dvě zcela odlišné hodnoty :-).

Obrázek 9: Modul s elektronkami použitý v první generaci sálových počítačů společnosti IBM. I firma IBM se poměrně výrazně začala zajímat o tranzistorovou techniku a začala nabízet první mainframy vybavené tranzistory ještě v padesátých letech minulého století.

Právě na této konferenci (jejíž pořádání se posléze stalo v Silicon Valey každoročním zvykem) se ukázalo, že společnosti podnikající v oblasti elektrotechnického průmyslu a samozřejmě i firmy vyrábějící počítače mají enormní zájem na použití této nové polovodičové techniky – celkem bylo podepsáno licenční ujednání na postup výroby tranzistorů s 35 firmami, z nichž devět společností bylo zahraničních. Zajímavý je v tomto kontextu fakt, že vládní organizace povolily udělování licencí na výrobu bipolárních tranzistorů pouze spojeneckým zemím patřících do NATO.

setun05

Obrázek 10: Pohled na počítač Setuň, při jehož konstrukci byly intenzivně používány polovodičové di­ody.

6. Společnost Philips a její vstup na trh s bipolárními tranzistory

Jednou z významných firem, která na symposium v roce 1952 poslala hned tři pracovníky, byla i společnost Philips. Ta se o vývoj vlastního typu tranzistoru neúspěšně snažila již dva roky. Zájem společnosti Philips o tranzistory jako o zcela nový a progresivní typ elektronické součástky je pochopitelný – Philips byl totiž etablovanou firmou v oboru výroby elektronek, s jejichž výrobou se začalo již v roce 1917 a od roku 1930 v této firmě dokonce existovala samostatná skupina zabývající se vývojem polovodičových součástek, zejména kuproxidových a selenových usměrňovačů.

setun06

Obrázek 11: Jiný model „diodového“ počítače Setuň.

Podle interního šetření provedeného touto firmou bylo možné zhruba 60% ze 70 milionů elektronek instalovaných jen ve vojenských zařízeních v roce 1951 postupně nahradit za tranzistory, takže je jasné že se Philips jako významný výrobce původní a postupně zastarávající vakuové techniky (cca desetiprocentní zastoupení na trhu) začal dosti výrazně zajímat i o její náhradu polovodičovými diodami a tranzistory. To se této společnosti skutečně podařilo a od roku 1953, kdy začala průmyslová výroba tranzistorů, se jednalo o jednu z deseti nejvýznamnějších firem v oblasti polovodičové technologie, o čemž se můžete přesvědčit například na stránce Semiconductor sales leaders by year, přičemž je zajímavé, že na prvních místech se umisťují společnosti, které se výrobou polovodičů (zejména integrovaných obvodů, například pamětí, mikroprocesorů či mikrořadičů) začaly věnovat až o zhruba deset let později než Bell Labs (vedená původně snahou o náhradu relé v telefonních ústřednách) či právě Philips.

ibm3_

Obrázek 12: Částečně zrekonstruovaný ovládací panel počítače IBM System/360 Model 91. Jednalo se o počítač postavený již výhradně na rychlých polovodičových součástkách.

7. První počítače používající tranzistory namísto elektronek

Jedním z prvních počítačů, které byly osazeny bipolárními tranzistory, byl i počítač TRADIC Phase One, jehož jméno bylo odvozené od plného názvu TRAnsistor DIgital Computer, nebo též alternativně TRansistorized Airborne DIgital Computer. Druhý název prozrazuje, v jaké oblasti se měl tento počítač využívat. Jednalo se o stroj objednaný americkým vojenským letectvem (USAF – United States Air Force) pro účely letecké navigace, který bylo možné díky relativně malé váze a současně i příznivých rozměrech umístit i do létající pevnosti B52 (což byla v první polovině padesátých let taktéž technologická novinka). Projekt počítače TRADIC byl zahájen již v roce 1951, první funkční prototyp byl představen v roce 1953 a o rok později (1954) byla k dispozici finální podoba počítače.

ibm3_

Obrázek 11: Počítač EC 1021 vyráběný v ČSSR, který pro svoji instalaci vyžadoval klimatizovaný sál o ploše cca 150 m2 (některé další modely EC i originální IBM System/360 však potřebovaly mnohem větší prostory).

Ve skutečnosti nebyl TRADIC čistě tranzistorovým (lépe řečeno polovodičovým) počítačem, protože například hodinový signál s frekvencí 1MHz a příkonem 30 wattů musel být generován elektronkovým oscilátorem – tehdejší tranzistory nebylo možné pro tento účel použít (kvůli rozdílným spínacím časům nebylo možné tranzistory zapojit paralelně a současně bylo poměrně nízké i spínané napětí). Již v předchozích odstavcích jsme si řekli, že pro realizaci logických členů je možné použít polovodičové diody, ovšem s tím, že je signál po průchodu několika hradly zesílen tranzistorem, který obnoví potřebné napěťové úrovně. Právě tento způsob realizace řadiče a aritmeticko-logické jednotky byl v počítači TRADIC použit: celkem bylo v jeho obvodech zapojeno více než 10000 germaniových diod a pouze necelých 700 germaniových tranzistorů, takže lze odhadnout, že se počítač skládal zhruba z 5000 dvouvstupových hradel typu AND či OR a 700 invertorů.

Obrázek 12: Detail prvního integrovaného obvodu zkonstruovaného Jackem Kilbym.

8. Od diskrétních součástek k integrovaným obvodům

Spolu s vývojem planární technologie výroby tranzistorů, která postupně nahrazovala hrotové tranzistory, se začala objevovat myšlenka na umístění většího množství elektronických prvků na jeden substrát tvořící základ čipu. Tato myšlenka byla poprvé prakticky realizována Jackem Kilbym ze společnosti Texas Instruments, který 12. září 1958 předvedl fungující oscilátor s fázovým posunem umístěný na jediném čipu. Jednalo se o integrovaný obvod se čtyřmi germaniovými tranzistory, ovšem zhruba ve stejném čase použil Robert Noyce pro svoji vlastní verzi integrovaného obvodu křemík, který se ukázal být pro realizaci čipů vhodnější, mj. i proto, že SiO2 má výborné izolační vlastnosti. Firma Texas Instruments, v níž byl Kilby zaměstnán, získala patent na výrobu integrovaných obvodů založených na germaniu, zatímco konkurenční společnost Fairchild Semiconductor Corporation s Robertem Noycem (jakožto spoluvlastníkem této firmy) vlastnila patent na čipy s křemíkovým substrátem.

Obrázek 13: Skutečná velikost prvního integrovaného obvodu zkonstruovaného Jackem Kilbym.

Po dobu několika let utrácely obě firmy své zisky v právních bitvách, ale potom došlo ke vzájemné dohodě a křížové výměně licencí – a právě od této chvíle začal skutečný boom ve vývoji nových integrovaných obvodů, který později vyústil ve vznik polovodičových pamětí, mikroprocesorů a mikrořadičů. První z komerčně dostupných čipů začal být společností Fairchild nabízen již v roce 1961 a později se Robert Noyce podílel na vzniku společnosti Intel, která se původně specializovala právě na vývoj a výrobu různých typů integrovaných obvodů. Firma Fairchild si může připsat i další prvenství – právě zde byly Frankem Wanlassem vynalezeny obvody s hradly typu CMOS, v nichž jsou použity unipolární tranzistory. Více informací o těchto technologiích si řekneme v následující části tohoto seriálu.

Obrázek 14: Monokrystal čistého křemíku tvoří základ pro výrobu integrovaných obvodů.

9. Odkazy na Internetu

  1. The Transistor Museum
    http://semicon­ductormuseum.com/Mu­seum_Index.htm
  2. What is a Microchip?
    http://inventor­s.about.com/od/com­putersandinter­net/a/microchip­.htm
  3. Early Transistor History at Bell Labs
    http://www.se­miconductormu­seum.com/Tran­sistors/BellLab­s/OralHistori­es/Coonce/Coon­ce_Index.htm
  4. Polovodič (Wikipedie CZ)
    http://cs.wiki­pedia.org/wiki/Po­lovodič
  5. Hrotová dioda
    http://z-moravec.net/ex­t_el/diod/hrot­.php
  6. List of transistorized computers (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Lis­t_of_transisto­rized_computers
  7. Mainframe – Introduction
    http://www.thoc­p.net/hardware/ma­inframe.htm
  8. Mainframe computer (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Ma­inframe_compu­ter
  9. J. Presper Eckert (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/J­._Presper_Eckert
  10. BINAC (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/BI­NAC
  11. Ancient Computing Machinery
    http://www.ee­.ryerson.ca/~el­f/ancient-comp/index.html
  12. Setun (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Se­tun
  13. Nikolay Brusentsov – the Creator of the Trinary Computer
    http://www.ic­fcst.kiev.ua/mu­seum/Brusentsov­.html
  14. Development of ternary computers at Moscow State University
    http://www.com­puter-museum.ru/english/se­tun.htm
  15. Online Emulation of Soviet Ternary Computer Setun
    http://en.tri­nary.ru/projec­ts/setunws/
  16. The Transistor in a Century of Electronics
    http://nobelpri­ze.org/educati­onal/physics/tran­sistor/history/
  17. THE ACE, THE ‚BRITISH NATIONAL COMPUTER‘
    http://ed-thelen.org/comp-hist/EarlyBritish-05–12.html

Pavel Tišnovský

Pavel Tišnovský

Pavel Tišnovský vystudoval VUT FIT a v současné době pracuje ve společnosti Red Hat, kde vyvíjí nástroje pro Customer Content Services.

Ohodnoťte jako ve škole:
Průměrná známka 1,53

Školení: Postav si svou 3D tiskárnu RepRap

  • Seznámení s 3D technologií a jejím fungováním.
  • Sestavení samotné tiskárny a její kalibrace.
  • Tisk, práce s 3D modelem.
´

Zjistěte více informací o školení>>

       
18 názorů Vstoupit do diskuse
poslední názor přidán 9. 5. 2011 16:18

Tento text je již více než dva měsíce starý. Chcete-li na něj reagovat v diskusi, pravděpodobně vám již nikdo neodpoví. Pro řešení aktuálních problémů doporučujeme využít naše diskusní fórum.

Zasílat nově přidané příspěvky e-mailem