Půl století s integrovanými obvody Brouci z Křemíkového údolí

Před 50 lety – 12. září 1958 - předvedl Jack Kilby první integrovaný obvod, v němž všechny komponenty tvořily jedinou součástku z polovodivého materiálu téměř mikroskopické velikosti. Integrované obvody (IO) následně umožnily zrod mikroprocesorů, které jsou dnes srdcem všech digitálních přístrojů – od televizorů, mobilů a počítačů až po mikrovlnnou troubu. Pozadí geniálního vynálezu „V době kdy jsem hledal cestu jak vytvořit z tranzistorů, diod, kondenzátorů a odporů chytřejší obvody na čipu, museli uživatelé čekat, až pro ně monstrózní elektronkový počítač bude mít čas. Dnes je tomu obráceně. Osobní počítač v mojí pracovně naprostou většinu času pročeká, protože i ta krátká doba mezi dvěma po sobě jdoucími zmáčknutími klávesy je pro něj věčností“. Těmito slovy zhodnotil krátce před svou smrtí 20. června 2005 svůj přínos mikroelektronice a všudypřítomným počítačům Američan Jack St. Clair Kilby, uznávaný vynálezce integrovaných obvodů. Elektřina ho zaujala tak, že již ve 14 letech sám sestrojil rozhlasový přijímač. Tehdy samozřejmě s radiolampami, jimiž začala první generace elektroniky. Vystudoval elektrotechniku a fyziku na Univerzitě v Illinois a Wisconsinu, první zaměstnání našel u malé elektronické firmy. V krátké době získal několik patentů na elektronické obvody zesilovačů zvuku, a díky tomu ho ochotně přijala vznikající firma Texas Instruments v legendární Silicon Valley (Křemíkovém údolí), známé „líhně“ americké i světové elektroniky. Na svůj největší vynález - integrovaný obvod - prý přišel Kilby během dovolené ve své malé soukromé laboratoři, kterou si vybudoval v pronajatém domku. Několik jeho kolegů, mezi nimi i Robert Noyce, jeden z pozdějších zakladatelů světoznámé firmy Intel, se pokoušelo v té době pod mikroskopem umístit tranzistory, jejichž rozměr právě klesl z velikosti hrachového zrnka na velikost makového zrnka, na vodivě potištěné destičky a propojovat je vlasovými drátky do tzv. mikromodulů. Samotné tranzistory a diody se však začaly mezitím vyrábět tzv. planární technologií na destičkách z germania nebo křemíku, které nebyly tlustší než desetina milimetru. Kilbyho napadlo, že když se na takové destičce z polovodičového materiálu (tzv. podložce) vytvoří vodivá, izolující nebo polovodivá místečka, a propojí se tenoučkými vodivými linkami, bude se takový střípek (čip) chovat jako funkční elektronický obvod. Pomocí maskování a příměsí nebo injekcí prvků ovlivňujících vlastnost polovodičů, se mu podařilo 12. září 1958 na germaniové destičce velikosti kancelářské sponky 11 x 1,6 mm vytvořit oscilátor s jediným tranzistorem a několika pasivními součástkami. Do světa se v roli zesilovačů rozšířily nejprve v miniaturních naslouchadlech do uší a v prvních kapesních elektronických kalkulačkách, které ohromily svět. Nezmarný vynálezce Navzdory těžkému onemocnění (Hodgkinův lymfom), pod střechou úspěšné Texas Instruments se Kilby dopracoval k 60 dalším vynálezům a patentům. Nobelovu cenu roku 2000 však získal právě ze tento „střípek“, dnes označovaný krátce čip nebo IO.! Texas Instruments začal čipy s integrovanými obvody vyrábět v sériích, germanium brzo nahradil křemíkem, a prvním nejúspěšnějším produktem byla kabelková tranzistorová rádia, vykazující menší šum a větší zesílení. Poté přišly na řadu logické obvody, jaké používaly velké sálové počítače, přeplněné nespolehlivými elektronkami. Obrovský úspěch měly kapesní kalkulátory Texas Instruments, pro které Kilby navrhl několik čipů. Na rozdíl od mechanických kalkulátorů uměly nejen základní početní úkony, ale i některé logické operace. Op ravený Moorův zákon Od té doby se hustota prvků integrovaných obvodů zvyšovala tak, až bylo možné na destičce vytvořit zárodek mikropočítače - mikroprocesor. Z toho, jak se rychlost prvních „generací“ čipů a jejich výkon zvyšovaly, usoudil Gordon Moore, který později s Bobem Noycem založil společnost Intel, že tyto parametry se každým rokem zdvojnásobí. Tuto předpověď, která do věku mikroelektroniky vstoupila jako populární tzv. Moorův zákon, musel Moore poopravit už za osm let podle skutečnosti, že ke zdvojnásobení při nezměněných výrobních nákladech dochází každých osmnáct měsíců! Roku 1989 se podařilo vyrobit první megačip – čip s jedním milionem funkčních prvků na destičce velikosti poštovní známky. V prvním roce 21. století se japonským laboratořím podařilo vyrobit čip se sto miliony tranzistorů. Koncem roku 2007 se IBM pochlubila nejrychlejším mikroprocesorem světa – POWER6. Na plátku vážícím 28 gramů je umístěno 790 milionů prvků a tranzistorů a jeho výkon lze srovnat s někdejšími mnohatunovými superpočítači. Mikroprocesor vdechl technice inteligenci Další revoluci v technice, a brzo na to i ve stylu života, vyvolal technologií IO vyráběný mikroprocesor – srdce počítačů, televizorů, telefonních centrál, kapesních telefonů a tisíce jiných „inteligentních“ výrobků. Dokázal to, co ani fantasta Jules Verne nikdy nepředpokládal a drobná součástečka velikosti poštovní známky - zpracovává informace přiváděné v podobě slaboučkých digitálních signálů podobně jak to dělá lidský mozek - a s větší či menší inteligencí se stará o chod hodinek a počítačů, i globálních dopravních a informačních systémů. Plných pětadvacet byl za jejího vynálezce uznáván inženýr Marcian Hoff, kterému spolupracovníci v roce 1968 založené firmičce Intel říkali „Ted“. Také on začínal s integrovanými obvody. Japonská firma Busicom se rozhodla roku 1970 překvapit svět novým typem „chytré“ kalkulačky. U Intelu si objednala k tomu potřebné integrované obvody. Hoff zjistil, že má-li kalkulačka plnit požadované matematické operace, bude nutné na křemíkový čip umístit nejméně 50 000 miniaturních tranzistorů. S tehdejší technologií by to byla neobyčejně drahá součástka, schopná plnit právě jen takový úkol. Hoff, který se předtím zabýval vývojem malých počítačů, však dostal geniální nápad: na čipu nechal jen tzv. operační jednotku, ovládající běžné početní i logické operace, a tzv. řadič, který s ní manipuluje asi tak, jako dirigent řídí orchestr. Program toho, co má mikroprocesor dělat (počítat, řídit robota, automobilový motor nebo pračku, seřizovat obraz televizoru a tisíce jiných úkonů), nechť si každý uživatel vymyslí sám a uloží ho do paměti, která se k němu připojí sběrnicí. Továrny budou vyrábět levné mikroprocesory v obrovských sériích, a uživatelé nebo výrobci chytré elektroniky ho vybaví potřebným programem (softwarem)! Roku 1971 byla zahájena výroba prvních čtyřbitových mikroprocesorů, obsahujících na plátku křemíku 2300 tranzistorů a potřebných spojů. Hodil se nejvýše pro malé kalkulátory nebo jednoduché televizní hry (tenis, kopanou, ping-pong). Zájem o mikroprocesory však prudce vzrostl, když se o čtyři roky později ukázalo, že osmi, šestnácti, dvaatřiceti a dnes už 64bitoví „brouci“, se dají programovat podobně jako počítače. Roku 1975 byl mikroprocesor použit jako srdce prvního osobního počítače, a odstartoval počítačový boom, který dodnes neskončil. Nečekaný závěr sporu o p atent na mikroprocesor Do vývoje stále „vyšších“ typů se investují stovky miliard dolarů. Není divu, že jako bomba zapůsobila na počítačový svět zpráva amerického patentového úřadu ze 17. července 1990, že patent na mikroprocesor, a tím i nárok na astronomicky vysoké poplatky za jejich výrobu, byl dodatečně udělen jinak neúspěšnému vývojáři Gilbertu Hyattovi. Ten sice žádost o patent na myšlenku rozdělení řídicí funkce na mikroprocesor a paměť podal skutečně dříve než Hoff, neuměl však zdůvodnit propojení tranzistorových obvodů, a úřad ji proto zamítl. Hyatt se po celých dvacet let odvolával a ze žádosti o patent odstraňoval slabá místa – až vyhrál! Dodatečně udělený patent na mikroprocesor nese číslo 4942516. Toto historické uznání z Hyatta naráz učinilo multimilonáře, protože má nárok na 1 % z obratu všech výrobců mikroprocesorů. Tato pozdě najevo vyšlá skutečnost ovšem nijak nesnižuje podíl Marciana Hoffa, jehož zásluha na zavedení mikroprocesorů do praxe je nesporná. Zlatý věk elektroniky Odhadem trilion integrovaných obvodů v podobě čipů a mikroprocesorů nám dnes slouží v počítačích, televizorech, rádiích, kamerách, mobilech, automobilech, letadlech, lékařské technice a měřicích přístrojích. Zlatý věk elektroniky otevřel světový boom s obratem dnes odhadovaným na 500 miliard US dolarů. Na jeho počátku právě před půl stoletím stál střípek germania s prvním IO velikosti kancelářské sponky! Jan Tůma Fotoarchiv autora