W roku 1958 pracujący dla firmy Texas Instruments Jack Kilby zaprojektował i zbudował pierwszy układ scalony. Pół roku później swój układ scalony przedstawił także pracujący niezależnie od Kilby’ego Robert Noyce z Fairchild Semiconductor. Spory prawne o pierwszeństwo trwały wiele lat. W roku 2000 Kilby’emu przyznano za układ scalony Nagrodę Nobla.

Układ scalony (inaczej chip) to miniaturowy układ elektroniczny mogący zawierać miliony, a nawet miliardy podstawowych elementów elektronicznych - tranzystorów, diod, rezystorów czy kondensatorów – na powierzchni odpowiadającej odciskowi ludzkiego palca. Pierwszy będący odpowiednikiem prostego komputera procesor Intela, powstały w roku 1971 Intel 4004 składał się z 2300 tranzystorów i zajmował powierzchnię 12 mm2. Intel Pentium III z 1999 roku, miał już 9,5 miliona tranzystorów na powierzchni 128 mm2. Obecne procesory mają miliardy tranzystorów, a zużycie energii na pojedynczą operację logiczną jest o wiele rzędów wielkości mniejsze niż kiedyś.

Z zewnątrz układ scalony wygląda zwykle jak czarna kostka z wieloma srebrzystymi wyprowadzeniami. Wspólną cechą współczesnych układów scalonych jest fakt, że ich elementy składowe są umieszczone na jednym kawałku krzemu. Wprawdzie pierwszy układ scalony Kilby’ego korzystał z innego półprzewodnika - germanu, jednak wygrał krzem, ponieważ wykonany z niego układ może pracować w wyższych temperaturach.

Obecnie wytwarzane są setki, jeśli nie tysiące różnorodnych układów scalonych, zarówno uniwersalnych, jak i wyspecjalizowanych. Dzieki miniaturyzacji i niesłychanemu obniżeniu kosztów produkcji układy scalone pozwoliły przetwarzać i składować informacje w sposób dostępny dla każdego. Bez nich nie byłoby komputerów o mocy obliczeniowej odpowiedniej do stworzenia Internetu czy sztucznej inteligencji, nie mówiąc już o urządzeniach takich jak kalkulator, odtwarzacz MP3, komputer osobisty, tablet czy telefon komórkowy. Bez układów scalonych inaczej wyglądałaby gospodarka, stosunki społeczne, popkultura, sposoby prowadzenia wojny, a możliwości prowadzenia badań naukowych byłyby bardzo ograniczone.

Układy scalone uzyskuje się dzięki obróbce plastrów monokrystalicznego krzemu, na którym - dzięki naświetlaniu poprzez niezwykle precyzyjnie wykonane maski i przeprowadzeniu setek procesów technologicznych - z warstw o różnych właściwościach elektrycznych powstają połączone ze sobą metalicznymi ścieżkami elementy elektroniczne. Z biegiem lat elementy układów takich jak pamięci elektroniczne czy mikroprocesory stawały się coraz mniejsze, co wymuszało stosowanie światła o coraz mniejszej długości fali - teraz to już miękkie promieniowanie rentgenowskie. Tylko jedna firma na świecie, holenderska ASML potrafi wytwarzać odpowiednia aparaturę produkcyjną.

Zarówno układy scalone, jak i ich fabryki mają znaczenie strategiczne z punktu widzenia gospodarki czy obronności. Na przykład objęta sankcjami Rosja nie może produkować nowoczesnej broni w dużych ilościach, a wiele osób sugerowało, że Rosjanie wymontowują procesory z pralek, by umieścić je w pociskach. Wiele lat wcześniej głośno było o zakupach tysięcy Play Station przez Irak Saddama Husajna - aby budować z nich superkomputery.

Z układami scalonymi związane jest prawo Moore’a – prawo empiryczne wynikające z obserwacji, że ekonomicznie optymalna liczba tranzystorów w układzie scalonym rośnie wykładniczo - podwaja się w niemal równych odcinkach czasu. Autorstwo tego prawa przypisuje się Gordonowi Moore’owi, jednemu z założycieli firmy Intel, który w 1965 r. zaobserwował podwajanie się liczby tranzystorów co ok. 18 miesięcy. Obecnie przyjmuje się, że liczba tranzystorów w mikroprocesorach od wielu lat podwaja się co ok. 24 miesiące.

W Polsce także wytwarzane były układy scalone - warszawskie przedsiębiorstwo CEMI (Naukowo-Produkcyjne Centrum Półprzewodników) produkowało je w latach 1971-1994. Gdyby nie metoda uzyskiwania monokryształów opracowana w roku 1916 przez Polaka Jana Czochralskiego (najczęściej cytowany polski naukowiec!), nie dałoby się produkować półprzewodników, z których powstają układy scalone.

Coś w rodzaju układu scalonego powstało już w roku 1926. Lampa próżniowa Loewe 3NF zawierała trzy triody, dwa kondensatory i cztery rezystory. Zbudowano ją ze względów... podatkowych – wysokość podatku za radio zależała od ilości podstawek pod lampy, dlatego praktycznie cała elektronika radia umieszczona w szklanej bańce pozwalała zdobyć przewagę nad konkurencją. Rozwiązanie nie rozpowszechniło się zbytnio, ponieważ technologia lampowa ma ograniczona trwałość, a im więcej połączonych lamp, tym mniejsza niezawodność zbudowanego z nich urządzenia.(PAP)

Paweł Wernicki

pmw/ bar/