Banebrydende teknologi runder 65 år

Du lægger ikke mærke til den, men vi er alle dybt afhængige af transistoren, der trods sin alder ikke er klar til at gå på pension.

Denne dims har ændret sig utrolig meget i løbet af sine nu 65 år. Faktisk er den, der er gengivet på dette billede, gigantisk stor i forhold til de mikroskopiske transistorer, der udvikles i dag. Foto: Jørgen Elton Nilsen
Denne dims har ændret sig utrolig meget i løbet af sine nu 65 år. Faktisk er den, der er gengivet på dette billede, gigantisk stor i forhold til de mikroskopiske transistorer, der udvikles i dag. Foto: Jørgen Elton Nilsen

I søndags var det 65 år siden, at verdens første bipolare transistor så dagens lys. De vidste det måske ikke dengang, men den blev grundstenen i en revolution af den globale industri, levestandard og teknologi. De tre mænd, vi skal takke, er ingeniørerne William Shockley, John Bardeen og Walter Battain fra Bell Laboratorierne.

Det er næsten umuligt at forestille sig et velfungerende samfund i dag uden transistoren. Den har været altafgørende for utallige opfindelser, som vi nu tager for givet. Du finder transistorer stort set overalt, og den digitale enhed, du læser denne artikel på, er fuld af dem. Har du en forholdsvis ny computer, er der sandsynligvis over en milliard transistorer indeni. Har du en kraftig spilmaskine, indeholder den formentlig over fem milliarder transistorer.

Grundstenen i en processor


En kopi af den første transistor, der blev fremvist en uge efter sin reelle "fødsel". Foto: Wikipedia

Transistoren er det vigtigste element i en processor. Den bruges til at aktivere og deaktivere via det binære 0/1-system, hvilket danner et dynamisk kredsløb. Generelt set kan vi sige, at jo flere transistorer en processor har, jo bedre ydelse har den.

Verdens første kommercielle mikroprocessor, Intel 4004, blev lanceret i 1971. Denne bestod af omkring 2.300 transistorer, som hver havde en størrelse på 10 mikrometer (svarende til 10.000 nanomenter eller 0,01 millimeter).

Siden da er der sket en hel del. Transistorerne bliver mindre og mindre, samtidig med at ydelsen øges og energiforbruget reduceres. Den rivende udvikling, vi har set inden for teknologi de seneste årtier, kan hovedsageligt tilskrives skrumpningen af transistorerne.

I dag har processorer flere hundrede millioner transistorer, og den hurtigste enkeltprocessor har 2,5 milliarder transistorer. Størrelsen på transistorerne i nutidens processorer ligger på mellem 22 og 32 nanometer.

Bevæger vi blikket mod nutidens grafikprocessorer, så måler transistorerne her som regel 28 nm, og antallet af dem i de nyeste produkter passerer fire milliarder. Der findes naturligvis en række processorer, som er bygget på større transistorer, til brug i alverdens produkter. Selv i vaskemaskinen findes der transistorer, men de er næppe produceret med 22 nm-teknik.

For lige at slå det helt fast, så er 22 nanometer ekstremt småt. Der er faktisk plads til 4.000 transistorer af den størrelse på tværs af et typisk menneskehår.

Atomer på flyttefødder

Alle transistorer bygger på oktektreglen, der dikterer, at alle atomer "ønsker" otte elektroner i den yderste skal - også kaldet valenselektroner. Silicium, grundstoffet der oftest benyttes til at lave transistorer, har fire elektroner i den yderste skal. Hvert valenselektron bliver derfor delt af to siliciumatomer, så hvert atom får otte elektroner i sin valensskal.

Hvis man så doper - eller bevidst forurener - siliciummet med atomer af andre grundstoffer samt andre kombinationer i antallet af valenselektroner, så påvirker dette konduktiviteten (ledningsevnen). Kort fortalt fører dette til, at enkelte elektroner ikke får den dobbeltbinding, som de ellers ville have, og dermed bliver løst fra sin siliciumkerne.

Hvis vi så sætter spænding til materialet, vil de løse elektroner bevæge sig mod den positive pol. Der opstår dermed et tomrum, hvilket fører til en konstant strøm af elektroner fra den negative pol. Heri ligger processen bag transistorens funktion.

I dag benyttes transistorer i stort set alle elektroniske komponenter - normalt som en forstærker eller en elektrisk kontrolleret afbryder. Selv om man finder transistorer overalt, så er de mest spændende nu dem, der sidder i computeren.

Moores lov holder endnu

I 1965 skrev Gordon Moore, der var med til at grundlægge Intel, en artikel til magasinet Electronics, hvor han forudsagde, at antallet af transistorer i integrerede kredse (chips) ville fordobles for hvert år. I 1970 ændrede han sin forudsigelse til hvert andet år, og det er denne redigerede udgave, der i dag regnes som Moores lov.

Moore mente, at denne udvikling ville foregå over ti år, men den skulle holde væsentlig længere. Det, der i dag henvises til som Moores lov, er dog en spådom baseret på et ganske tyndt grundlag, og den var mere ment som en observation end en egentlig lov. Alligevel blev Moores lov bredt accepteret i halvlederindustrien.

Halvlederproducenterne, der producerer materialer med elektrisk ledningsevne, koncentrerede sig om at følge Moores forudsigelse, så de kunne opnå den samme stigning i ydelse, som de forventede, at konkurrenterne ville opnå. Dermed blev Moores lov en selvopfyldende profeti, og den gør sig den dag i dag stadig gældende i industrien.

Den perfekte transistor

Selv om Moores lov har luret i kulissen i alle disse år, så findes der nogen, som har kæmpet imod den. Et forskerteam fra Australien har gjort alt for at udvikle transistorteknologien i et hurtigere tempo end det, Moore lagde op til.

Teamet begyndte projektet for ti år siden og kunne tidligere i år præsentere den "perfekte" transistor. Den består nemlig af et enkelt atom.

Ifølge Moores lov vil en velfungerende enkeltatomstransistor ikke blive fremstillet før år 2020.

Alligevel går der nok fortsat et stykke tid, før vi får enkeltatomstransitorer i hjemmecomputeren. I dag kan denne transistor kun produceres og benyttes ved ekstremt lave temperaturer. Uanset hvad er det dog et bevis på, at så bittesmå ting rent faktisk kan produceres.

Jagten på det perfekte materiale

IBM er en anden aktør, der forsker meget i alternative måder at fremstille en transistor på. For nylig kunne selskabet melde om et gennembrud med fotoelektriske chips. Dette er første gang, der er blevet udviklet en halvleder, som består af både elektriske og optiske komponenter produceret med traditionelt udstyr.

IBM regner selv med at have teknologien på markedet i løbet af et par år.

Grafen er desuden et materiale, du bør holde øje med fremover, for nutidens silicium har sine åbenlyse begrænsninger, når teknologien krympes. Grafen er arvtageren, og et forskerteam ved Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet har formået at lave halvledere baseret på grafen. Slutproduktet, som forskerne ved NTNU har skabt, er blot én mikrometer tykt. Til sammenligning er halvledere baseret på silicium ofte flere hundrede gange tykkere.

IBM har dog flere jern i ilden, og et af disse er en systemchip bygget på nanorør.

Forskningen viser, at man kan klemme en hel milliard transistorer ind på bare én kvadrattomme med nanorørteknikken. Dette er i samme størrelsesorden som nutidens processorer, men de nye nanorørtransistorer vil være fem gange så hurtige som nutidens siliciumprodukter.

For kort at opsummere kan vi altså sige, at transistoren er et af de absolut største fremskridt, der er foretaget i den elektroniske verden. Vi ønsker tillykke med 65-årsdagen!

Læs også: Sidste øjebliks guide til hårde julegaver

Læs artiklen på hardware.no

Oversat og redigeret af Janus Bødker.

Mest læste

Vi kan se, at du har installeret en adblocker, så vi ikke kan vise dig annoncer.

Det er vi kede af, fordi indtægter fra annoncer er en helt afgørende årsag til, at vi dagligt kan tilbyde dig journalistik af høj kvalitet.

For få adgang til indhold på b.dk skal du tillade visning af annoncer på b.dk. Se hvordan du gør her..

Tak for din forståelse.

Hov! Hvor blev min artikel af..!?

Du er træt af reklamer. Vi ved det godt! Men de betaler for den artikel, du du sidder og læser. Vi vil derfor sætte stor pris på, at du tilføjer b.dk til din adblocker's "whiteliste".

Tak for din forståelse.