„Electronic „brains” approaching the human brain in scope and reliability came much closer to reality today with the announcement by Texas Instruments Incorporated of the first commercial production of silicon transistors kernel-sized substitutes for vacuum tubes.”
Komunikat prasowy 1954 rok. (https://www.computerhistory.org/tdih/may/10/)
10 maja 1954 roku odbyła się konferencja Instytutu Inżynierów Radiowych, w trakcie której wygłaszano referaty naukowe z dziedziny szeroko pojętej elektroniki. Spora część z nich poświęcona była germanowi, a dokładniej problemom, jakie powodował ten półprzewodnik. Narzekano na jego stabilność, wytrzymałość, ale szczególną uwagę poświęcono przede wszystkim wrażliwości tego pierwiastka na temperaturę. Ta, wszakże jest znacznie niższa niż w powszechnie dziś wykorzystywanych elementach krzemowych, które wytrzymują do około 150°C. Drgające atomy germanu zaczynają wyrzucać wolne nośniki ładunku już przy około 70°C, jest to niezwykle ciekawy proces, który opisałem w jednym z moich artykułów – Jak pali się tranzystor w układzie wspólnego emitera?
Już w tamtym czasie naukowcy zdawali sobie sprawę, że przyszłością nie będą elementy germanowe tylko krzemowe. Materiał ten umieszczony jest w tablicy Mendelejewa tuż obok wspomnianego pierwiastka i według prowadzonych wówczas badań nadawał się idealnie na miano półprzewodnika przyszłości. Problematyczne było jednak samo ujarzmienie krzemu, a dostępne techniki obróbki były dość drogie i skomplikowane.
W pierwszym rzędzie sali konferencyjnej siedział Gordon Teal, inżynier z Texas Instruments. Z uwagą przysłuchiwał się on narzekaniom kolejnych prelegentów i głoszonym przez nich tezą, że na krzemowe tranzystory trzeba będzie poczekać jeszcze co najmniej kilka lat. Gdy nadszedł czas na jego przemówienie, Gordon udał się na mównicę i zaczął w dość niespodziewany sposób. „Wbrew temu, co mówili moi przedmówcy, o ponurych perspektywach krzemowych tranzystorów, mam ich kilka w kieszeni”. Możemy sobie tylko wyobrazić konsternację, która musiała wówczas zapanować na sali konferencyjnej.
Texas Instruments, którego pracownikiem był Gordon, było ówcześnie dopiero początkującym startupem, w niczym nie przypominającym znanej dzisiaj korporacji. Jednak mimo tego firma dość mocno rozpychała się na rynku elektroniki. Co prawda przygotowany przez nich tranzystor nie był pierwszym na świecie, miano to należy się prototypowi opracowanemu w Bell Labs, w którego szeregach Teal spędził ostatnie 22 lata przed dołączeniem do TI. Mimo tego należy docenić inżynierów z Texas Instruments, w rzeczywistości konkurowali oni z olbrzymią korporacją w postaci AT&T, której środki na badania i rozwój z perspektywy niewielkiego startupu były wręcz nieograniczone. Mogłoby się wydawać, że przygotowanie krzemowego tranzystora w TI było tylko przypadkiem, ale firma ta miała jedną zasadniczą przewagę – nie miała nic do stracenia. Jej inżynierowie mogli oddać się w pełni procesowi przygotowania seryjnej produkcji tranzystorów, a gdyby ta się nie powiodła, firma po prostu przestałaby istnieć. Pomysł był jednak nieco inny i znacznie bardziej przyszłościowy. Gordon Teal, jak i jego współpracownicy trafnie przewidzieli rozwój rynku półprzewodnikowego, opracowanie tranzystora, czy też jego seryjna produkcja była tylko wygraniem sprintu, a prawdziwym celem było przebiegnięcie maratonu.
Niezwykły przypadek
W 1958 roku do zespołu Texas Instruments dołącza Jack Kilby. Był to dość młody inżynier elektrotechniki, który swoją wiedzę zdobył na uniwersytecie Milwaukee w stanie Wisconsin. Kilbyego od zawsze fascynowała miniaturyzacja elementów elektronicznych, czego szczególnie nie ukrywał. Jak wspominał po latach, TI było jedyną firmą, która zgodziła się, aby poświęcił się on temu tematowi w niemal pełnym wymiarze godzin. Jack dołączył do Texas Instruments latem co miało niestety pewne wady. Jako młody pracownik nie dysponował on zapasem dni wolnych, przez co w pierwszy dzień pracy zastał opustoszałe biuro. Większość pracowników przebywała w tym czasie na wakacjach i Kilby musiał zorganizować swoją pracę samodzielnie.
Mogąc w pełni poświecić się tematowi miniaturyzacji, młody inżynier dość szybko wpadł na genialny w swej prostocie pomysł. Co, gdyby zamiast łączyć elektroniczne komponenty przewodami, czy też miedzianymi ścieżkami na płytkach drukowanych upakować wszystko w jedno „urządzenie”, czy też, innymi słowy elektroniczny element. Już po kilku tygodniach światło dzienne ujrzał pierwszy prototyp. Kilby opracował niewielki bazujący na germanie komponent, pełniący rolę prostego oscylatora złożonego z dwóch tranzystorów. Mimo prostoty należy powiedzieć, że inżynier rozwiązał jeden z największych problemów ówczesnej technologii i nawet jeśli nie do końca zdawał sobie z tego sprawę, to opracował układ scalony. Niedługo później, bo już w lutym 1959 roku w amerykańskim urzędzie patentowym złożono wniosek 3138743 – „Zminiaturyzowany Obwód Elektroniczny”.
Wojna patentowa
Pracując nad pierwszym układem scalonym Jack Kilby, nie zdawał sobie sprawy, że nad problemem miniaturyzacji elektroniki pracował też ktoś inny. Znany doskonale w dolinie krzemowej współzałożyciel Firchild Semiconductor, a w przyszłości też Intela – Robert Noyce. W czasie, gdy w Texas Instruments świętowano opracowanie zminiaturyzowanego obwodu elektronicznego, Noyce wpadł na dość podobny pomysł – wykorzystanie półprzewodnika, który mógłby pełnić rolę indywidualnego „urządzenia”. Prototyp kolejnego układu scalonego powstał równie szybko, ale jego realizacja była nieco inna.
Lata wcześniej, gdy świat techniki zmagał się z masową produkcją krzemowych tranzystorów, Texas Instruments wygrało wyścig nie dlatego, że opracowali wspomniany element jako pierwsi, a dlatego, że zrobili to lepiej. Zamiast wykorzystywać problematyczny german, w roli półprzewodnika obsadzili krzem. Paradygmat układów scalonych wydaje się pod tym względem dość podobny, tym razem jednak to TI było na przegranej pozycji. Prototyp Noycea od początku bazował na krzemie. Inżynier ten zdawał sobie sprawę, że pierwiastek ten mimo bardziej złożonego procesu obróbki jest doskonalszy i bardziej stabilny, a nadal wykorzystywany german jest na z góry przegranej pozycji. Poza tym, krzemowy prototyp był układem zamkniętym w szczelnej monolitycznej obudowie, co w późniejszych latach również stało się standardem tej branży. Historia ta jest pewną ironią, zwłaszcza w kontekście wcześniejszego opracowania przez Texas Instruments masowej produkcji tranzystorów.
30 lipca 1959 roku, czyli niespełna pół roku po patencie Jacka Kilbyego, Firchild Semiconductor składa własny dokument, który zostaje potwierdzony niedługo później. Jest to pewien problem, który zapoczątkowuje patentową wojnę, bo obie firmy uważają się za twórców układu scalonego, którzy mogą czerpać korzyści z jego licencjonowania. Oczywiście Texas Instruments było pierwsze, ale Robert Noyce zrobił to lepiej, przez co sąd nie potrafił w pełni uargumentować, po której stronie powinna znaleźć się sprawiedliwość. Ostatecznie obie firmy doszły do porozumienia, nie do końca korzystnego dla TI. Firma mogła bez ograniczeń produkować krzemowe układy scalone, ale musieli oni uiścić opłatę licencyjną na korzyść Firchild Semiconductor, rzeczywistych pionierów w wykorzystaniu tego pierwiastka. Batalia sądowa nadszarpnęła nieco reputację Texas Instruments, przez co firma zaczęła radzić sobie nieco gorzej. Ograniczono pieniądze na badania i rozwój a zarząd gorączkowo szukał nowego pomysłu.
Własna nisza
Texas Instruments istnieje po dziś dzień, także jest dość oczywiste, że po batalii zawiązanej z układami scalonymi firma w końcu znalazła swoją drogę. Pełniący w tamtym czasie funkcję prezesa Pat Heggerty uważał, że przyszłością jest konsumencki rynek elektroniki. Dlatego też zainicjował on powstanie tajnego projektu pod nazwą „Project Cal Tech”. W ramach niego pracowano nad małym, przenośnym urządzeniem z klawiaturą, ekranem i bateryjnym zasilaniem, które mógłby być napędzane przez produkowany w TI chip. Tak w 1967 roku Texas Instruments zastrzega sobie prawo do produkcji przenośnego kalkulatora. W tamtym czasie tego typu urządzenia były domeną jedynie dużych przedsiębiorstw księgowych, dlatego przenośna wersja kalkulatora była skazana na sukces. TI-2500, bo pod taką nazwą funkcjonował ten sprzęt, sprzedawał się świetnie, mimo nie najniższej ceny – 119,95 dolarów, co w dzisiejszych czasach byłoby odpowiednikiem około 1100 dolarów. W pierwszym roku sprzedano 17 milionów egzemplarzy, a w kolejnym liczba ta wzrosła do 45 milionów, odmieniając sposób nauki i edukacji. Kalkulatorowy sukces był też motorem napędowym pomysłu powrotu do branży półprzewodnikowej na szeroką skalę.
Konkurencja z tamtych lat taka jak Intel skupiła się przede wszystkim na układach cyfrowych, była to też najbardziej medialna z gałęzi przemysłu półprzewodnikowego zważywszy na rodzący się rynek komputerowy. Texas Instruments postanowiło skupić się na nieco innej niszy, jaką były układy analogowe. Te, choć nie tak ekscytujące, również były ważnym elementem branży. Każdy cyfrowy i medialny układ scalony potrzebował chipów towarzyszących zapewniających odpowiednie zasilanie, czy wstępnie przetwarzających dane z czujników. Wejście w świat analogowy było ruchem nastawionym na długoterminowym sukces. Co ciekawe mechanizm ten sprawdza się nawet w dzisiejszych czasach i gdy wszyscy mówią o rosnącej sile Nvidii i ich układach graficznych w kontekście sztucznej inteligencji, niewiele osób wie, że Texas Instruments rozwija się równie szybko. W ostatnich latach przychody firmy związane z sekcją analogową stanowiły około 74% całości przychodu, czyli ponad 13 miliardów dolarów. Sztuczna inteligencja i najnowsze procesory nadal potrzebują masy układów współpracujących, których produkcją zajmuje się Texas Instruments.
Źródła:
- https://www.computerhistory.org/tdih/may/10/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Gordon_Kidd_Teal
- https://education.ti.com/en/success-story/jack-kilby-day
- https://rafalbartoszak.pl/miniaturyzacja-wielkich-idei-jak-powstaly-uklady-scalone/
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Robert_Noyce
- https://www.dallasnews.com/news/from-the-archives/2021/04/08/after-going-all-in-with-its-chips-texas-instruments-tried-its-hand-at-toys-and-calculators/
- https://www.meteca.org/the-history-of-the-first-microchip/
- https://manufacturingdigital.com/procurement-and-supply-chain/a-microchip-timeline-from-1959-to-the-supply-chain-shortage
- http://www.animatedexplanations.com/who-invented-silicon-chip/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Jack_Kilby
- https://patents.google.com/patent/US3138743
- https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit
- https://www.allaboutcircuits.com/news/jack-kilby-and-the-world-first-integrated-circuit/
- https://www.cascade.app/studies/texas-instruments-strategy-study
