„Nyní bude možné dosáhnout hustoty elektronických prvků vyšší než třicet milionů na kubickou stopu, ve srovnání s pěti sty tisíci na kubickou stopu, což je nejvyšší hustota prvků dosažená před tímto vynálezem.“ Těmito slovy popsal Jack Kilby z firmy Texas Instruments ve své patentové přihlášce výhodu integrovaného obvodu, který vynalezl v létě roku 1958. Kilbyho slova byla opatrná. Jeho patentová přihláška vůbec vykazovala drobné nedostatky (čehož využil Robert Noyce z konkurenční firmy), ale to nebylo pro vývoj informačních technologií nijak zvlášť důležité. Co naopak podstatné bylo, je skutečnost, že vynález integrovaného obvodu vytvořil základ pro revoluci, kterou přineslo zavedení osobních počítačů.
Polovodičový tým v Bellových laboratořích
Nejprve je však nutné vrátit se do druhé poloviny čtyřicátých let, na počátek studené války, jež se nesla ve znamení řady pozoruhodných objevů. Ty v příštím desetiletí začaly pomalu, ale jistě měnit tvář světa. Kromě teoretických základů informatiky a kybernetiky, o nichž jsme již v našem putování do minulosti psali, to byl zejména objev tranzistorů, přesněji řečeno tranzistorů s bodovými kontakty, které nahradily elektronky, a tím zahájily novou éru v elektrotechnice. Nešlo přitom o objev náhodný. Již krátce po skončení války byl v Bellových laboratořích ustaven takzvaný polovodičový tým, jehož úkolem bylo „co nejúplnější pochopení polovodičových jevů, a to nikoli empiricky, ale na základě atomové teorie“, jak ve své nobelovské přednášce uvedl John Baarden, jeden z trojice objevitelů tranzistoru.
Proč byly tranzistory tak významné? Polovodiče typu P a N lze totiž složit dohromady, čímž se vytvoří přepínač, kterým je možné ovládat protékající proud. O objasnění fyzikálního pochodu, tedy pozitivně-negativních (P-N) přechodů, a role, kterou hraje vysílání (emitování) pohyblivých nosičů nábojů na jedné straně a jejich přijímání (sbírání) na protilehlé straně, se postaral William Shockley, další z trojky výše zmíněného polovodičového týmu. Na konci roku 1947 tito vědci v Bellových laboratořích představili zesilovač řeči na bázi hrotového tranzistoru z germania. O dva roky později uvedli William Shockley a Gordon Teal plošný tranzistor. Průmyslová výroba tranzistorových elektronických součástek začala v padesátých letech, v době vrcholící studené války, takže se zpočátku omezovala takřka výhradně na vojenské využití. Ale zakrátko byl zahájen i vývoj spotřební elektroniky – úspěch slavilo zvláště malé tranzistorové rádio, které se na konci roku 1955 stalo prodejním hitem předvánočních nákupů.
Tento vývoj vedl ve Spojených státech ke vzniku polovodičových firem, jako byly Schockley Semiconductor Laboratory, Farchild Corporation, National Semiconductor či Texas Instruments, které ruku v ruce se svým vzrůstajícím významem jednak hledaly nové způsoby využití tranzistorů, jednak se snažily polovodičové technologie zdokonalit. Toto úsilí záhy přineslo ovoce.
Jack Kilby - mladá léta
Jack Kilby se narodil v roce 1923 v Jefferson City, ve státě Missoury. Otec byl elektrický inženýr, a když byly synovi čtyři roky, stal se prezidentem Kansas Power Company. Z tohoto důvodu se rodina přestěhovala do Great Bendu v Kansasu. Ačkoli hlavní slovo v rodině měl otec, v jehož stopách Jack později kráčel, vliv matky rovněž nebyl zanedbatelný. Pracovala v knihovně a učila svého syna milovat literaturu (Kilby později uvedl, že se často u rodinného stolu předháněli v tom, kdo zná více citátů ze Shakespearových dramat či Melvillova románu Bílá velryba).
Co však malého Jacka Kilbyho fascinovalo nejvíce, byla technika. V otcově pracovně mohl sledovat, že lze z levných a dostupných součástek sestrojit podomácku nejen rádio, ale i malou vysílací stanici. A byl například i svědkem, jak jeho otec při velké vichřici v zimě roku 1937 pomocí své rádiové stanice podával obyvatelům kansaských měst, které byly vlivem živlu odtrženy od okolního světa, informace o obnovení dodávky elektřiny a blížící se pomoci.
Není divu, že mladý Kilby na střední škole exceloval v technických oborech. Jeho učitel fyziky mu doporučil, aby pokračoval ve studiu na Massachusettském technologickém institutu, nejlepší technické škole ve Spojených státech. Otec s tím pochopitelně souhlasil. Kilby však bohužel neprošel u vstupní zkoušky. Ať už to bylo trémou či únavou po dlouhé cestě, nadaný mladík se na elitní techniku nedostal, byť mu ke zdárnému splnění testu chyběly pouhé tři body (dosáhl 497 bodů, přičemž minimum pro přijetí bylo 500). Nakonec tedy mladý Kilby nastoupil na Illinoiskou univerzitu v Urbana-Champaign, kde v mládí studoval jeho otec.
Zde se však dlouho neohřál. Krátce poté, co nastoupil na elektrotechnickou fakultu, Japonci vybombardovali Pearl Harbor a Spojené státy vstoupily do druhé světové války. Kilby byl povolán do armády, a protože studoval elektrotechniku, byl zařazen do spojařského vojska. Při operacích v jihovýchodní Asii, kde jeho četa operovala, se nejenže seznámil v praxi s fungováním moderní spojařské techniky, ale naučil se i technické improvizaci. Když se tedy po válce vrátil na univerzitu, měl za sebou už řadu praktických zkušeností se spojařskou technikou.
V roce 1947, kdy získal Kilby bakalářský titul v oboru elektrické inženýrství, představily Bellovy laboratoře první tranzistory, převratný vynález, který zakrátko začal od základu měnit svět elektroniky.
Období tranzistorových počítačů
Stejně jako většina elektrických inženýrů té doby byl Jack Kilby objevem tranzistoru fascinován. Na začátku padesátých let se zúčastnil sympozia pořádaného Bellovými laboratořemi, kde byly představeny možnosti tranzistorů. Byl tak jedním z mála, kdo si uvědomoval, o jak převratný vynález se jedná.
Díky spolehlivosti a nízké spotřebě energie začaly tranzistory zakrátko nahrazovat nepraktické křehké elektronky, nejprve v armádních systémech, záhy i spotřebitelské elektronice. I když „tranzistorovou revoluci“ spustilo v očích veřejnosti nejprve populární rádio TR-1, tranzistory záhy začaly měnit i svět rané výpočetní techniky. Ukázalo se totiž, že jsou ideálním komponentem pro počítače využívající binární logiku „zapnuto-vypnuto“.
Tranzistorové počítače (neboli počítače druhé generace) začaly také od poloviny padesátých let tvořit to, co dnes označujeme jako počítačový průmysl. Vedle hardwaru, stále ještě značně těžkopádného, se začaly rozvíjet výpočetní algoritmy a programovací jazyky. Vznikla tabulka standardních znaků ASCII a objevila se, zpočátku nenápadně, i myšlenka domácího počítače, který by měl víceúčelové využití. Byl to příliš smělý sen? V té době se zdálo, že ano, ale na druhé straně právě díky tranzistorům se o počítače pozvolna začala zajímat i širší veřejnost, nikoli jen vědci a elektrotechničtí nadšenci. Teoretické obory, jako jsou kybernetika, teorie informace či umělá inteligence, začaly s tímto vývojem dostávat nejen reálnější obrysy, ale i hlubší smysl.
Že tranzistory znamenají pro elektroniku zásadní pokrok, bylo nesporné. Nicméně některé problémy, s nimiž se potýkali již raní počítačoví průkopníci, odstranit nedokázaly. Ačkoli vyřešily řadu potíží souvisejících zejména s vysokou spotřebou, hmotností či křehkostí elektronek, přetrvával problém spolehlivosti a do jisté míry i cenové dostupnosti. Výkonné počítače padesátých let vyžadovaly tisíce, ba i desetitisíce tranzistorů, které bylo nutné pospojovat dráty a pájenými spoji, přičemž každý z těchto spojů představoval možný zdroj problémů se spolehlivostí. Britský inženýr G. W. A. Drummer, jenž pracoval v Královském ústavu pro radarový výzkum, si v roce 1952 poznamenal jasnozřivý postřeh: „S nástupem tranzistorů a díky pokroku v oblasti polovodičů obecně je dnes zřejmě možné předvídat vznik elektronických zařízení v jednolitém bloku bez propojovacích vodičů…“ Drummer se pokusil takové zařízení sestrojit, ale jeho snaha nebyla úspěšná. Přesto mu další vývoj elektroniky, ještě než skončilo desetiletí, dal díky invenci Jacka Kilbyho a Roberta Noyceho plně za pravdu.
První integrovaný obvod
Když se Kilby v roce 1957 dozvěděl, že firma Texas Instruments shání pracovníky do výzkumného oddělení, neváhal ani chvíli a přihlásil se do konkurzu. Následující rok mu mělo být pětatřicet let, takže uvažoval o tom, že na čas s rodinou zakotví tam, kde sežene zaměstnání v oboru, který ho zajímal.
Texas Instruments (TI) se v padesátých letech z lokální firmy, jež se původně soustřeďovala zvláště na geofyzikální výzkum, přeměnila na společnost se strategickým významem. Kilby u konkurzu uspěl, a tak se na jaře s rodinou přestěhoval do Dallasu, sídla tohoto texaského podniku, prosazujícího se především díky výrobě elektronických komponentů pro armádu. Důležité bylo, že polovodičový výzkum v TI vedl Gordon Teal, jenž společně s Williamem Shockleyem vyvinul plošný tranzistor a jehož manažeři firmy přetáhli z Bellových laboratoří. Úkolem skupiny výzkumníků, kterou Teal vedl, bylo hledat možnosti miniaturizace polovodičových součástek určených pro přístroje využívající se ve válečných lodích a ponorkách, ale také při sestrojování komponentů určených pro balistické rakety.
Za převratnými objevy stojí nezřídka zvláštní okolnosti. V Kilbyho případě byla touto okolností dovolená. Přesněji řečeno skutečnost, že jako nový zaměstnanec, jenž před několika měsíci nastoupil do firmy, neměl na rozdíl od svých kolegů na letní dovolenou nárok. Protože zůstal v laboratoři sám, začal více experimentovat. Jeho úkolem bylo, aby se pokusil vylepšit koncepci takzvaných mikromodulů. Byly to elektronické součástky upravené do stejně velkých modulů tak, aby se mohly snadno spojovat podle potřeby toho kterého obvodu. Standardizované řešení mělo přelstít takzvanou tyranii množství. Tímto termínem se označovaly potíže vznikající u složitých obvodů (se stovkami či tisíci diskrétních součástek), u nichž strmě roste počet kontaktů mezi součástkami – a s tím i nároky na výrobu stejně jako nebezpečí, že vznikne porucha. Účelem mikromodulů bylo zejména zjednodušení a zlevnění stavby obvodů, ale velkých úspor se jimi nedosáhlo a ústřední problém, tedy vysoký počet součástek, které bylo nutno propojit s vodiči, nadále přetrvával.
Za této situace Kilbyho napadla myšlenka, kterou si před časem poznamenal již G. W. A. Drummer. Že by mohl mikromoduly nikoli pouze vylepšit, ale nahradit zcela jiným řešením. Co kdyby na substrátu polovodiče, konkrétně germania, vyrobil všechny součástky obvodu? Zkusil tedy na jednolitém germaniovém plátku propojit spolu s aktivními prvky (tranzistory) i prvky pasivní – rezistory, kondenzátory a také potřebné vodivé spojovací dráhy. Výsledkem byl první integrovaný obvod, z dnešního pohledu sice značně primitivní, ale plně funkční.
Křemíková revoluce
Když se Gordon Teale, šéf výzkumu u TI, vrátil z dovolené, Kilby mu předvedl výsledek své práce, jímž byl první germaniový čip. O pár dnů společně představili vedení firmy tři funkční integrované obvody. Byly rovněž vyrobeny z kousku germania, s kontakty tvořenými postaru přiletovanými drátky. Manažery toto řešení poněkud zaskočilo, patrně jim zprvu nedocházelo, jaké možnosti využití integrované obvody nabízejí.
Popravdě řečeno nebyli sami. Skutečný potenciál nové technologie zůstal zprvu utajen nejen vedení TI, ale i ostatním polovodičovým společnostem, které zakrátko s obdobnými koncepty experimentovaly. Ovšem kromě jedné, a tou byla kalifornská Fairchild Semiconductor Corporation. Zde Robert Noyce, budoucí spoluzakladatel společnosti Intel, vyprojektoval a zkonstruoval na základě nového postupu výroby „planárních“ tranzistorů výkonný integrovaný obvod na bázi křemíku, který byl vhodný i pro masovou výrobu.
Kilby sice Noyceho inovaci plně respektoval, ale Texas Instruments nikoli. Výsledkem byl firemní spor o patentová práva, který se táhl několik let. Soud nakonec uznal Kilbyho patent na integrovaný obvod, zatímco Noycemu přiznal patent na způsob výroby integrovaných obvodů, lišící se od toho, jaký předložil Kilby. Neboť i když se význam integrovaného obvodu plně projevil až po vynálezu Noyceho nového postupu výroby, přínos Kilbyho byl nezpochybnitelný.
V roce 1962 začala masová výroba integrovaných obvodů. Podnítil ji objev nového typu tranzistoru MOSFET (tranzistor řízený polem s hradlem izolovaným oxidy). Druhá polovina šedesátých let pak přinesla nástup třetí generace počítačů, vyznačující se slučováním integrovaných obvodů. Díky tomu byly počítače třetí generace menší, levnější a daleko spolehlivější než generace předchozí. Na konci let šedesátých se již vyráběly čipy obsahující tisíce tranzistorů, a to byl teprve začátek. Integrované obvody vedly k vytvoření mikroprocesorů, které dnes tvoří součást téměř všech digitálních přístrojů – od televizorů přes počítače a mobilní telefony až po mikrovlnné trouby, ale to už je jiný příběh.
Jack St. Clair Kilby (1923–2005), americký vědec, vynálezce integrovaného obvodu. Vystudoval elektrické inženýrství na University of Illinois a University of Wisconsin. Během práce ve výzkumném středisku firmy Texas Instruments (TI) vynalezl v roce 1958 integrovaný obvod. V téže době učinil tentýž objev Robert Noyce pracující ve společnosti Fairchild Semiconductor. Kromě integrovaného obvodu je Kilby vynálezcem přenosné kalkulačky a přispěl též k vývoji termální tiskárny užívané v datových terminálech. Celkem obdržel 60 patentů; podílel se na vývoji mikročipů, počítačů, vesmírných sond, vybavení přístrojů pro lékařskou diagnostiku, ale také videoher. V roce 2000 obdržel Nobelovu cenu za fyziku (společně s dalšími dvěma vědci).
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU