Jack Kilby: Jak překonat tyranii množství

Sám tranzistor na revoluci nestačil

V padesátých letech se při stavbě počítačů a dalších náročných elektronických zařízení objevila zcela nová komplikace. Technici sice měli k dispozici donedávna nevídané miniaturní součástky, tedy především tranzistory, ovšem objevil se tzv. „propojovací problém“, nebo „bariéra množství“, případně poeticky „tyranie množství“.

Tento zapeklitý háček přitom normální lidi nijak netrápil. Vědělo o něm jen pár špičkových vědců a inženýrů. Svět rozkvétal, natáčely se skvělé filmy, začínal rokenrol, objevovala se první tranzistorová rádia. Všichni od moderní vědy očekávali nové a nové zázraky. Objev tranzistoru přinesl obrovské možnosti, ale na zázraky nestačil. Třeba proto, že se objevila právě tyranie množství. Zneškodnit ji a uvolnit prostor pro další vývoj dokázal až Jack Kilby.

Zamiloval se do vysílačky

Jack Kilby se narodil v roce 1923 a mládí strávil v malém městečku Great Bend v Kansasu. Jeho otec byl elektroinženýrem a založil si malou společnost na výrobu elektrické energie Kansas Power Company. Vlastnil několik malých elektráren a elektřinu prodával malým firmám i domácnostem.

Kilby byl už od dětství zaujat technikou, ale k jeho životnímu zájmu o elektrotechniku ho přivedla sněhová bouře v roce 1937. Ta strhala dráty v širokém okolí, no a aby si Kilbyho otec udržel přehled o situaci, začal využívat amatérskou vysílačku, kterou kontaktoval radioamatéry a ti mu předávali informace. Na jejich základě pak posílal své lidi opravovat vedení. Čtrnáctiletý mladík byl tímto kouzlem učarován.

Zatímco otec bral spolupráci s radioamatéry jen jako nutnost pro svůj byznys, jeho syn je považoval za fascinující zařízení, které stojí za to pořádně pochopit. To se mu podařilo a za nějaký čas si postavil z porůznu získaných součástek vlastní vysílačku. Od té chvíle se chtěl celoživotně elektronice věnovat.

Po dokončení střední školy se přihlásil na slavný MIT, jenže neuspěl. Trpkost z této první životní prohry jej nikdy neopustila a vzpomínal na ni i po letech jako slavný muž. Nezbylo mu tedy nic jiného, než studium na mnohem méně prestižní University of Illinois.

Sen o vlastním tranzistoru

Pouhé čtyři měsíce po začátku prvního semestru zaútočily japonské bombardéry na Pearl Harbour. Kilby byl jakožto ceněný radioamatér povolán do US Army Signal Corps, jakožto technik.

Kilby se nespokojil pouze s opravami existujících armádních radiostanic, které byly velké, těžké a nespolehlivé. Podařilo se mu na černém trhu získat součástky a pracoval v týmu, který pro speciální jednotky vyráběl vysílačky mnohem lehčí a výkonnější. Tato rádia, na rozdíl od jiných, fungovala i v džungli a s velmi pochybnou údržbou.

Jack Kilby od mládí obdivoval elektroniku. Nakonec to byl on, kdo vytvořil první integrovaný obvod. Foto: Texas Instruments

Po skončení války se vrátil na univerzitu, kde dokončil inženýrský titul v roce 1950. Nastoupil do laboratoří Centralab firmy Globe Union, která vyráběla součástky rádií, televizí a dalších elektronických výrobků. Zde se věnoval vývoji miniaturních elektronických obvodů.

V roce 1952 se zúčastnil semináře, organizovaném Bellovými laboratořemi, kde byly diskutovány detaily teorie a výroby tranzistorů. Centralab ho tam poslala, protože byla u Bellových laboratoří zakoupena licence na výrobu. Kilby byl z tranzistorů nadšený a sotva se vrátil zpět, pustil se do vývoje vlastního typu.

Když už ani ženské prstíky nestačily

Jeho cílem bylo vyvinout miniaturní germaniový tranzistor, který by se dal použít v naslouchadlech, což byl jeden z výrobků Globe Union. Brzy ale zjistil, že něco takového je velkým problémem. Potíž nebyla vlastní výroba malého tranzistoru, ale vytvoření miniaturního obvodu z několika elektronických prvků, které bylo potřeba kvalitně na destičce umístit a připájet. V této době byla pochopitelně tato práce realizována ručně, takže se nelze divit, že nešikovné lidské ruce prostě nedokázaly pájet miniaturní propojení s dostatečnou přesností.

Ano, a to byl právě ten tehdejší problém. Mohli jste vyrobit miniaturní tranzistory, diody, odpory, kondenzátory. To vše bylo možné. Mohli jste navrhnout obvody, v nichž tyto nepatrné komponenty byly nahuštěny na malé ploše v ohromujícím množství. Desítky či stovky tisíc tranzistorů? Žádný problém. Na papíře to skvěle fungovalo. Jenže jen na tom papíře. Takové obvody tehdy nikdo neuměl vyrobit.

TRADIC, první počítač sestavený výhradně z tranzistorů z roku 1955, byl stále obrovský. 684 tranzistorů a 10 358 diod bylo propojeno ručním pájením. Následovaly ještě mnohem vydatnější porce, pak už se narazilo na limity.

I v oblastech, kde cena nebyla problém, se tento zádrhel objevoval. Pentagon nešetřil, ovšem stejně mu to moc platné nebylo. Tehdejší letadlová loď obsahovala přibližně 350 000 elektronických komponent, které bylo potřeba propojit zhruba milionem ručně pájených spojů. Cena za vykonání této práce a za otestování každé jednotlivé součástky byla vyšší, než celková cena všech součástek.

Počítač CDC 1604 sestával z 25 000 tranzistorů, 100 000 diod a stovek tisíc odporů a kondenzátorů. Jeho výroba byla neustále ve zpoždění, protože tuto masu součástek technici jen s problémy dávali dohromady. Přitom v plánu byly mnohem větší počítače sestávající z několika milionů součástek. Jak je ale postavit?

Na výrobních linkách se v této době trápily tisíce žen pájením miniaturních součástek. Ano, žen – mužské ruce byly považovány za příliš velké a nešikovné pro tuto jemnou práci. Jenže ani kdyby v USA zavedli dětskou práci, aby malé dětské prstíčky dovolily manipulaci s ještě menšími součástkami, ani to by nestačilo. Bylo třeba jít na věc úplně jinak. Ovšem nikdo nevěděl jak.

Cesta k prvnímu integrovanému obvodu

Možná vás napadne – proč dělat obvody miniaturní? Vždyť by bylo možné nacpat ty statisíce či miliony tranzistorů na nějakou opravdu velkou desku. Ale ačkoli signály putují rychlostí světla, při vyšších frekvencích by byly větší vzdálenosti limitující. A pro vyšší výkon bylo potřeba frekvence zvyšovat.

Kilbymu byl tento problém znám a chtěl se jím zabývat. Uvědomoval si, že v relativně malé laboratoři nemá šanci na další velmi drahé experimenty a přemýšlel, kam dál. V roce 1958 se odstěhoval do Dallasu a nastoupil u Texas Instruments, tedy mnohem bohatší firmy, která jediná mu přislíbila možnost plně se věnovat miniaturizaci obvodů.

Jack Kilby se svými kolegy z labolatoře Texas Instruments. Foto: James R. Biard CC BY-SA 4.0

Kilby nastoupil do své nové práce v létě. To je velice důležitá poznámka. Je otázkou, co by se stalo, kdyby nastoupil v zimě, ale on – čirou osudovou náhodou – se v laboratořích Texas Instruments objevil v létě, kdy měla většina osazenstva dovolenou. On sám na ni jakožto čerstvá posila neměl nárok, a tak byl ponechán téměř osamocen uprostřed laboratoře, nabízející mu do té doby netušené možnosti experimentování.

I jeho šéf odjel na dovolenou, aniž by jej pověřil nějakou konkrétní výzkumnou práci. Byl sám svým pánem. Mohl si „hrát“. A právě v tu chvíli jej napadla „monolitická“ myšlenka. Možná ji nosil v hlavě už dřív, ale teprve teď ji mohl vyzkoušet.

Ve zdejší laboratoři přišli na jedno z možných řešení zmiňovaného problému. Spočívalo na myšlence, že všechny elektronické součástky budou tvořit miniaturní moduly o stejné velikosti a s konektory a budou sestavovány jako kostičky lega. Tedy již žádné pájení, pouze manipulace s miniaturními kvádříky. Firma si od tohoto konceptu hodně slibovala, ale Kilbymu se nelíbil.

A tak mu přišla vysloveně vhod ona zmíněná firemní dovolená, na kterou on sám ale neměl nárok a mohl v klidu přemýšlet. Musel ale na něco lepšího přijít rychle, protože jinak by byl zapřažen do vývoje mikromodulů a neměl šanci uplatnit svůj nápad.

Vše v jednom!

Jeho štěstí bylo, že laboratoře Texas Instruments měly v této době již perfektně propracovanou technologii na zpracování křemíku. To tehdy byla horká novinka. V tranzistorech se používalo germanium, protože práce s křemíkem byla náročnější. Právě dostupnost křemíkových krystalů ale Kilbyho zachránila. Co by se s nimi tak dalo podniknout?

V této době již bylo známo, že křemík lze použít stejně jako germanium, pokud je do jeho krystalu přimíseno nepatrné množství různých látek, zajišťujících jeho vodivost. Například křemík s příměsí arzénu vytvořil polovodič typu N, zatímco příměs bóru znamenala vytvoření polovodiče typu P. Samozřejmě, spojením těchto dvou typů bylo možné vytvořit jak diody, tak tranzistory.

Kilby se ale zamyslel nad další možností. Co zkusit s křemíkem vytvořit i další možné prvky elektronických obvodů? Třeba odpor? Ano, když se použije čistý nevodivý krystal křemíku, můžeme z něj udělat odpor. Samozřejmě, nebude tak dobrý, jako uhlíkový odpor, ale použít se dá. A kondenzátor? Ano, i ten lze jen a pouze s křemíkem vytvořit. Opět, nebude tak kvalitní, jako standardní kondenzátory, ale bude fungovat.

Šváby. Tak se začalo říkat standardizovaným integrovaným obvodům. Vidíte proč. Ale ke švábům to byla od první myšlenky dostat na jeden kus křemíku více elektronických součástek ještě dlouhá cesta.

Nikoho do té doby nenapadlo, že by bylo možné plýtvat drahocenným krystalem křemíku na vytváření odporů a kondenzátorů, když ty s použitím levnějších látek stály pár centů. Nedávalo to žádný smysl, šlo o plýtvání. Jenže Kilby přišel na myšlenku, že vlastně všechny čtyři základní elektronické prvky lze s křemíkem vytvořit. Takže by tedy bylo možné takový obvod realizovat na jediném krystalu křemíku a odpadlo by složité propojování diskrétních součástek. A to byl právě ten klíč k současnému světu iPhonů a notebooků. Klíč později zvaný integrovaný obvod.

Oscilátor v rozměru 1×10 mm

Kilby svému nápadu zprvu moc nedůvěřoval. Už měl zkušenosti, že mnoho myšlenek vypadá na první pohled skvěle, ale při podrobnějším rozboru jsou v nich zásadní chyby. Jedinou možností, jak prověřit, že má pravdu, bylo vytvoření modelu integrovaného obvodu a ten otestovat. Jenže k tomu potřeboval souhlas svého šéfa.

Když se Willis Adcock vrátil z dovolené a Kilby mu popsal svůj nápad, tak z něj zprvu nebyl úplně nadšený. Uvědomoval si, jak je něco takového problematické. Na druhé straně, možná stálo za to to zkusit. Adcock ale nechtěl zpomalit vývoj mikromodulů, protože šlo o zásadní firemní projekt. Po dlouhém přemlouváním se s Kilbym dohodl. Pokud Kilby dokáže z křemíku vytvořit odpor a kondenzátor, dostane zelenou pro konstrukci integrovaného obvodu. Kilby výrobu obou miniaturních součástek zvládl.

Pro přelomový test byl zvolen nejjednodušší možný obvod, vyžadující všechny čtyři základní součástky – oscilátor. Ten mění stejnosměrný proud na střídavý a jeho funkci lze velice snadno změřit. Kilby obvod navrhl a na jediném kousku krystalu křemíku pod mikroskopem pomocí miniaturních zlatých propojovacích drátků vytvořil.

První úspešný pokus o integrovaný obvod ještě moc elegantně nevypadal, ale tato destička s rozměry 1×10 mm je předchůdcem dnešních procesorů. Foto: Texas Instruments

12. září 1958 se na zkoušku dostavil i předseda představenstva společnosti. Kilby se modlil, aby jeho zázračná součástka o délce asi jednoho centimetru a šířce jednoho milimetru fungovala. Byla připojena baterie a osciloskop... A nakonec každý v místnosti mohl vidět jasnou vlnovku na jeho obrazovce. Kilby zvítězil.

Kdo bude rychlejší na patentovém úřadě?

Laboratoř začala pomalu přemýšlet, jak by se obvod dal využít, protože stále šlo jen o nedokonalou hračku, nikoliv o hotovou součástku. Právníci byli pověřeni, aby připravili patentovou přihlášku. Nijak se nespěchalo, tedy až do 28. ledna 1959, kdy se proslechlo, že někdo jiný vytvořil podobné dílo. Najednou bylo třeba spěchat.

Jak formulovat patent? Ukázalo se totiž, že jakkoliv je původní nápad nesmírně inovativní, některé dost podstatné detaily Kilby nepromyslel. Například vůbec neuvažoval nad otázkou, jak zajistit propojení těch miniaturních elektronických součástek na onom kousku krystalu. Sám to realizoval pomocí miniaturních zlatých drátků, tedy vlastně pájením pod mikroskopem, ovšem něco takového pochopitelně pro sériovou výrobu nepřipadalo v úvahu. Stejným problémem pak bylo propojení oněch komponent s okolním světem. Ani to nebylo možné řešit sériově pod mikroskopem.

Kilbyho napadlo řešení. Kdyby se povrch krystalu křemíku potáhl nějakou nevodivou látkou, třeba oxidem křemíku, tak by na této látce mohly být v další vrstvě realizovány všechny potřebné spoje. Kilby netušil, že tato technologie již existuje a stojí za ní začínající firma plná géniů – Fairchild Semiconductors. A ta si již potřebný patent podala, takže i kdyby o něm Kilby věděl, musel by přijít s prosíkem.

A o kousek dál už na stejném nápadu pracoval Robert Noyce. S patentem byl nakonec rychlejší. Foto: Intel

Právě z důvodu nedokonalého návrhu bylo nakonec rozhodnuto podat patentovou přihlášku co nejobecnější, chránící základní myšlenku – že s pomocí krystalu křemíku lze vytvářet elektronické obvody. Každá patentová přihláška znamená několik let vyjednávání, takže se nelze divit, že i patent z roku 1959 mohl být přijat až v roce 1961. 26. dubna toho roku dostal Kilby z New Yorku šokující zprávu. Ano, patent na integrovaný obvod byl konečně udělen. Ale ne jemu. Nějakému Robertu Noyceovi z Fairchild Semiconductors.

Otec kalkulaček s Nobelovou cenou

Následovaly léta tahanic o patent mezi Texas Instruments a Fairchaildem, která nás již nemusí zajímat. To hlavní je skutečnost, že zatímco Kilby přišel první s onou přelomovou myšlenkou, Boba Noyceho sice napadla o pár měsíců později, ale na rozdíl od Kilbyho právě Noyce vyřešil zapeklitý problém, jak realizovat zmíněná propojení.

Díky integrovaným obvodům mohly vzniknout malé kapesní kalkulačky. Na první model s logikou integrovanou do jednoho čipu to ale chtělo kapsu přece jen o něco větší.
(CC BY-SA 2.0 Joe Haupt)

Kilby tento svůj vrcholný objev již nepřekonal, ovšem i nadále zůstal velmi úspěšným vynálezcem, věrným Texas Instruments. Podílel se na dalším vylepšován integrovaných obvodů, takže v roce 1962 právě jeho čipy tvořily počítač na balistické raketě Minuteman.

V roce 1965 pak tým pod jeho vedením vynalezl první termální tiskárnu, předchůdce všech těch dnešních, které jsou nezbytnou součástí každé pokladny či platebního terminálu.

O dva roky později pak sestrojil s pomocí integrovaných obvodů první kalkulačku Pocketronic. Ta se vám sice navzdory jménu do kapsy nevešla a sestávala z několika integrovaných obvodů, takže byla příliš drahá pro běžné uživatele. Její patent ale znamenal základní kámen pro následující rozšíření elektronických kalkulaček a jejich miniaturizaci. A v roce 1972 dokázali v Texas Instruments integrovat veškerou logiku základní kalkulačky do jediného obvodu. Datamath TI-2500 už se do kapsy opravdu vešel a znamenal revoluci.

Základní deska dnes už legendární programovatelné kalkulačky TI-59 z roku 1978

Když 10. prosince 2000 přejímal Nobelovu cenu za fyziku, zmínil ve svém projevu, že kromě něj by ji měl získat ještě i Robert Noyce, neboť právě ten zajistil, že integrované obvody se z nadějného nápadu staly realitou. Noyce však vzhledem ke své předčasné smrti takto oceněn nikdy nebyl. Fascinující životní příběh tohoto „starosty Silicon Valley“ si povíme někdy příště.

Přečtěte si o dalších osobnostech počítačové historie:

Mauchly a Eckert: dvojka, která stvořila první počítač

William Shockley: muž, který změnil tranzistor i jedno údolí

John Vincent Atanasoff: Vynálezce elektronického počítače