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