12 Οκτωβρίου 2016

Ιστορική αναδρομή και η εξέλιξη των τρανζίστορς και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων



Οι ηλεκτρονικές λυχνίες, θεωρούνται, και όχι άδικα, οι πρόγονοι της ηλεκτρονικής αφού με την εμφάνισή και την εξέλιξή τους ξεκίνησε μία νέα εποχή στον τομέα της τεχνολογίας που άφησε ιστορία και έθεσε τα θεμέλια για την εξέλιξη και την αλματώδη πορεία της τεχνολογίας, μίας πορείας που άλλαξε και συνεχίζει να αλλάζει καθημερινά τον κόσμο μας. Οι Ηλεκτρονικές συσκευές (Ραδιόφωνα, ασύρματοι και αργότερα τηλεοράσεις) αποτελούνταν από ηλεκτρονικές λυχνίες, που άρχισαν σταδιακά να παραμερίζονται προς το τέλος της δεκαετίας του 1950 μετά την ανακάλυψη του τρανζίστορ το οποίο αντικατέστησε βαθμιαία τις τερατώδεις σε μέγεθος και ενεργοβόρες ηλεκτρονικές λυχνίες.

Το τρανζίστορ (ελλ.κρυσταλλοτρίοδος) είναι μία διάταξη ημιαγωγών στερεάς κατάστασης, η οποία βρίσκει διάφορες εφαρμογές στην ηλεκτρονική, μερικές εκ των οποίων είναι η ενίσχυση, η σταθεροποίηση τάσης, η διαμόρφωση συχνότητας, η λειτουργία ως διακόπτης και ως μεταβλητή ωμική αντίσταση. Μπορεί, ανάλογα με την τάση με την οποία πολώνεται, να ρυθμίζει την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος που απορροφά από συνδεδεμένη πηγή τάσης, κατασκευάζονται είτε ως ξεχωριστά ηλεκτρονικά εξαρτήματα είτε ως τμήματα κάποιου ολοκληρωμένου κυκλώματος. Αποτελεί το θεμελιώδες υλικό δόμησης για τις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές, και είναι πανταχού παρών στα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα. Μετά την δεκαετία του 1950 με την μαζική παραγωγή του, έφερε την επανάσταση στο χώρο των ηλεκτρονικών και προετοίμασε το έδαφος για μικρότερα και φθηνότερα ραδιόφωνα, αριθμομηχανές υπολογιστές, και ένα σωρό ακόμη ηλεκτρονικές συσκευές. 



Ο Φυσικός Julius Edgar lilienfeld κατέθεσε το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το τρανζίστορ στον Καναδά, το 1925, και περιγράφει ένα παρόμοιο με το τρανζίστορ τύπου "FET". Ωστόσο, ο Lilienfeld did δεν δημοσιεύει οποιαδήποτε έρευνα σχετικά με τις συσκευές του. Το 1934, ο Γερμανός εφευρέτης Oskar heil ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που αφορά παρόμοια συσκευή.


Το 1947, ο John Bardeen και Walter Brattain στα εργαστήρια της Bell Labs στις Ηνωμένες Πολιτείες έκανε μία σπουδαία παρατήρηση, διοχέτευσε ρεύμα στις ηλεκτρικές επαφές ενός κρυστάλλου από γερμάνιο και βρήκε ότι η ισχύς εξόδου του ήταν μεγαλύτερη από αυτή της εισόδου.


Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας William Shockley έλαβε σοβαρά την παρατήρηση αυτή και τους επόμενους μήνες εργάστηκε και να επέκτεινε σε μεγάλο βαθμό τη γνώση στους ημιαγωγούς.Οι Shockley, Bardeen, και Walter Brattain στα της εργαστήρια Bell παρήγαγαν την πρώτη κρυσταλλολυχνία (Transistor ). Το 1956, το βραβείο Νόμπελ τους απονεμήθηκε όχι για την εφεύρεση της κρυσταλλολυχνίας, αλλά για«την ανακάλυψη των χαρακτηριστικών του κρυστάλλου ». Το τρανζίστορ θεωρείται και είναι, το ενεργό συστατικό-κλειδί για όλες σχεδόν τις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές θεωρείται δε από πολλούς μία από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις του εικοστού αιώνα.

Η σημασία αυτής της εφεύρεσης οφείλεται στις φυσικές ιδιότητες των ημιαγωγών στο πολύ μικρό μέγεθος κατασκευής και στο σχετικά πολύ μικρό κόστος μαζικής παραγωγής του. Παρόλο που αρκετές εταιρείες κάθε παράγουν πάνω από ένα δισεκατομμύριο ξεχωριστές συσκευασμένες κρυσταλλολυχνίες κάθε χρόνο, η συντριπτική πλειονότητα τους τώρα παράγεται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα όπου μαζί με άλλα στοιχεία δίοδοι, αντιστάσεις, πυκνωτές κ.λ. παράγουν πλήρη ηλεκτρονικά κυκλώματα. Οι σκέψεις των επιστημόνων ήταν πλέον το πώς θα μπορέσουν να μικρίνουν τις διαστάσεις των Transistors και να τα συνενώσουν μεταξύ τους έτσι ώστε τα ηλεκτρονικά κυκλώματα να είναι πλέον ταχύτερα, μικρότερα, και με μικρότερη κατανάλωση ενέργειας. Η σκέψη ότι η CPU θα μπορούσε να μειωθεί σε ένα τσιπ πυριτίου σε μέγεθος νυχιού φάνταζε κάποτε σαν σενάριο επιστημονικής φαντασίας. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έγινε δυνατό να κατασκευαστούν χάρη στις πειραματικές ανακαλύψεις που έδειξαν ότι τα ημιαγώγιμα στοιχεία μπορούσαν να εκτελούν τις λειτουργίες των λυχνιών κενού, καθώς και χάρη στην τεχνολογική πρόοδο στον τομέα της επεξεργασίας ημιαγώγιμων στοιχείων που έγινε στα μέσα του 20ού αιώνα.

Η ολοκλήρωση (ενσωμάτωση) ενός μεγάλου αριθμού από μικροσκοπικά τρανζίστορ σε ένα λεπτό τσιπ αποτέλεσε μία πολύ σημαντική βελτίωση σε σχέση με χειροκίνητη συναρμολόγιση κυκλωμάτων με χρήση διακριτών ηλεκτρονικών στοιχείων. Η δυνατότητα μαζικής παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, η αξιοπιστία που παρείχαν καθώς και η δυνατότητα προσθήκης περαιτέρω πολυπλοκότητας σε αυτά, συνέβαλαν στην ταχύτατη αντικατάσταση των λυχνιών κενού και των διακριτών κυκλωμάτων. Εχουν δύο κύρια πλεονεκτήματα έναντι των διακριτών κυκλωμάτων: Το κόστος και την απόδοση.

Το κόστος είναι χαμηλό επειδή τα τσιπ, μαζί με όλα τα στοιχεία τους, τυπώνονται ενιαία σαν μία μονάδα με τη χρήση φωτολιθογραφίας, αντί να κατασκευάζεται με το κάθε τρανζίστορ ξεχωριστά. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται πολύ λιγότερα υλικά για να κατασκευαστεί ένα κύκλωμα ως τσιπ, παρά ως διακριτό κύκλωμα. Η απόδοση είναι υψηλή αφού τα στοιχεία μεταστρέφονται γρήγορα και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια σε σχέση με τα αντίστοιχα των διακριτών κυκλωμάτων, επειδή τα στοιχεία είναι μικρά και κοντά το ένα στο άλλο. Στην εποχή μας η τεχνολογία περπατάει με ακόμη γρηγορότερους ρυθμούς, και η εξέλιξη της τεχνολογίας σχεδίασης και κατασκευής ολοκληρωμένων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έχει φτάσει σε απίστευτα επίπεδα όπου μέσα σε πολύ λίγα τετραγωνικά εκατοστά στοιβάζονται εκατομμύρια Transistors με κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος εκπληκτικά χαμηλή.

Το 2005, ερευνητές του πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν, στις ΗΠΑ, κατασκεύασαν ένα κβαντικό,ολοκληρωμένο κύκλωμα που λειτουργούσε με «παγίδες ιόντων», διατάξεις που παράγονται με τις συνήθεις, λιθογραφικές τεχνικές. Το 2009, επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Γέιλ, στις ΗΠΑ, παρουσίασαν τον πρώτο κβαντικό μικροεπεξεργαστή, ο οποίος βασιζόταν σε διατάξεις ημιαγωγών, όπως και τα συμβατικά τρανζίστορ.Κβαντικό υπολογιστή ονομάζουμε μία υπολογιστική συσκευή που εκμεταλλεύεται τις χαρακτηριστικές ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως η αρχή της υπέρθεσης και της διεμπλοκής καταστάσεων, για να φέρει σε πέρας επεξεργασίες δεδομένων και υπολογισμών. Η εξέταση της λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών και η διατύπωση των κατάλληλων αλγορίθμων από τη σκοπιά της θεωρητικής πληροφορικής, είναι ένα σύγχρονο ακαδημαϊκό πεδίο και ορίζεται ως κβαντικός υπολογισμός. Οι κβαντομηχανικές ιδιότητες και αρχές λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών μελετώνται και από την επιστήμη της φυσικής. 

Πρόσφατο παράδειγμα το Εργαστήριο Τεχνητής Νοημοσύνης της NASA που προσπαθεί να δείξει ότι η κβαντική πληροφορική και κβαντικοί αλγόριθμοι μπορεί να βελτιώσουν την ικανότητα των υπολογιστών και να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση δύσκολων προβλημάτων βελτιστοποίησης του τομέα της αεροναυπηγικής, στις διαστημικές επιστήμες, την εξερεύνηση του διαστήματος και πολλές άλλες βιομηχανικές και επιστημονικές εφαρμογές.

Οι πληροφορίες αυτές υποβάλλονται σε επεξεργασία με τρόπους που δεν έχουν ισοδύναμο στην κλασική πληροφορική, εκμεταλλευόμενοι φαινόμενα όπως η κβαντική διάνοιξη σηράγγων και η κβαντική διεμπλοκή. Ως εκ τούτου, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν θεωρητικά να επιλύσουν ορισμένα προβλήματα σε λίγες μέρες σε αντίθεση με τους κλασικούς υπολογιστές που θα χρειάζονταν μερικά εκατομμύρια χρόνια. Ποιός θα μπορούσε να φανταστεί κανείς πριν από λίγες μόνο δεκαετίες πόση σημαντική ήταν αυτή η ανακάλυψη και πόσο θα άλλαζε στο μέλλον την καθημερινότητά μας;



Δεν υπάρχουν σχόλια:
Write σχόλια