Ačkoli si v dnešní době bouřlivého a všeobecně sledovaného vývoje počítačů pod pojmem integrovaný obvod většina lidí představí jen procesor počítače s miliony tranzistorů, původní definice je obecnější. Integrovaným obvodem (zkráceně IO, anglicky IC z „integrated circuit“, jinak také „šváb“ nebo „čip“, angl. „bug“ nebo „chip“) se myslí jakákoli elektronická součástka, která v sobě slučuje určité množství elektrických obvodových prvků (tranzistorů, rezistorů, diod, kapacitorů atd.) neoddělitelně spojených na povrchu nebo uvnitř určitého spojitého tělesa (obvykle křemíkové polovodičové destičky, nazývané čip, nebo angl. také „wafer“), aby se dosáhlo složitější ucelené funkce. Kromě mikroprocesorů a počítačů, na které se tento článek dále převážně zaměří, se IO uplatnil v drtivé většině dnešních elektronických zařízení – najdeme ho v televizích, rádiích, mobilních telefonech, dálkových ovladačích, kalkulátorech, autech, letadlech atd.Z technologického hlediska přinesl mnohé vzájemně provázané výhody. Především znamenal miniaturizaci elektrických zařízení, která dále umožnila zvýšení výkonu (na stejný prostor bylo možno umístit více součástek), snížení energetické náročnosti (příznivé vlastnosti miniaturních spojů), zvýšení spolehlivosti (polovodičové prvky nahradily vypadávající dráty a nespolehlivé elektronky) a celkově možnost vytvářet komplexní systémy kombinací zvnějšku jednoduchých IO, které však uvnitř skrývají složitou funkcionalitu (princip černé skříňky). Z úhlu pohledu byznysu pak miniaturizace umožnila pozdější masové nasazení a hromadnou výrobu integrovaných obvodů, což samozřejmě ještě dále podnítilo jejich vývoj.
Počátky integrovaného obvodu
Snad nejzazší kořeny integrovaných obvodů sahají až do roku 1949, kdy německý inženýr Werner Jacobi z firmy Siemens AG zaregistroval patent na polovodičový zesilovač tvořený 5 tranzistory v 3 stupňovém zesilovacím uspořádání na společném substrátu. Jako typické průmyslové využití patentu uvedl miniaturní naslouchadla pro osoby postižené vadou sluchu, avšak neexistují další záznamy o skutečném komerčním využití. Druhou vážnější předzvěstí byl Geoffrey Dummer, vědec pracující pro britské Ministerstvo obrany, který své myšlenky publikoval na elektrotechnickém sympoziu v roce 1952, a v roce 1956 se pokusil integrovaný obvod zkonstruovat, avšak neúspěšně.
Za skutečné vynálezce integrovaného obvodu v dnešním slova smyslu jsou tak všeobecně považováni až Jack Kilby a Robert Noyce. První jmenovaný, tehdy ještě mladý inženýr Jack Kilby, byl v létě roku 1958 ještě čerstvým nováčkem ve firmě Texas Instruments (TI) a na rozdíl od svých kolegů neměl nárok na obvyklou dvoutýdenní dovolenou. TI tehdy pracovala na projektu mikro-modulů sponzorovaném U.S. Army, jehož cílem bylo sjednotit rozměry a tvar elektronických součástek tak, aby bylo možné je snáze modulárně propojovat bez pomoci externích spojovacích drátů. Snahou bylo oslabit vládu „tyranie množství“ - jak tehdy býval označován problém vznikající u složitých obvodů (se stovkami či tisíci jednotlivých součástek), u nichž strmě rostl počet kontaktů mezi součástkami, a s tím i nároky na výrobu (cena) a také riziko, že vznikne porucha.
Obr. 1 - Zleva Jack Kilby a Robert NoyceŘešení pomocí mikromodulů však nebylo technologicky dostačující, ani ekonomicky výhodné, protože stále bylo třeba vyrobit a spojit mnoho součástek (modulů) pro získání složitější funkcionality. Kilby však přišel s revoluční myšlenkou pokusit se z polovodičů (z kterých se už tehdy vyráběly transistory a diody) vyrobit i ostatní potřebné pasivní prvky (odpory a kondenzátory), což by umožnilo jejich spojení na jedné malé polovodičové destičce. Tento nápad Kilby během pár týdnů realizoval a v roce 1958 tak vznikl vůbec první integrovaný obvod – měl velikost 11x2 mm a byl tvořen oscilátorem na plátku germania přilepeném na skleněné destičce. Žádost o patent byla však podána až v roce 1959.
Obr. 2 - Kilbyho první integrovaný obvodJack Kilby se kromě integrovaného obvodu zapsal do historie ještě více než 60 dalšími patenty, z nichž je vyzdvihován zejména vynález přenosné kalkulačky na bázi integrovaného obvodu uskutečněný v roce 1966. V roce 2000 pak Kilby získal Nobelovu cenu za fyziku, zejména právě s ohledem na vynález integrovaného obvodu.
Souběžně s Kilbym, ale nezávisle na něm pracoval na integrovaném obvodu Robert Noyce ve firmě Fairchild Semiconductor (kterou později opustil a 1968 spoluzakládal dnešní Intel). K výsledkům se dopracoval půl roku po Kilbym a počátkem roku 1959 zkonstruoval první křemíkový integrovaný obvod za pomoci planární technologie, která byla pro masovou výrobu mnohem vhodnější než Kilbyho koncept, který jednotlivé prvky svého obvodu spojil jen ručním pájením. V tomtéž roce podal přihlášku na patent, který získal v roce 1961, zatímco Kilbymu byl udělen až v roce 1964. Následovaly patentové spory, které však byly vyřešeny smírnou dohodou, ve které bylo uznáno prvenství Kilbyho, ale zároveň i velké zásluhy Noycovi (zejména z hlediska praxe). Všeobecně jsou tedy tyto dvě osobnosti uváděny jako spoluvynálezci. Některé zdroje také poukzují na to, že se Noyce inspiroval prací Kurta Lehovece z Sprague Electronics v oblasti využití P-N přechodů k elektrické izolaci obvodových součástek, a dále planárním procesem původně vyvinutým Jeanem Hoernim z Fairchild Semiconductor.
Mikropočítač a jeho vývoj
Pojem mikropočítač nemá v současné době zcela pevně definovaný význam, ale za všeobecně uznávané a asi vůbec nejrozšířenější lze považovat vysvětlení, že se jedná o počítač, jehož procesor (CPU) je realizován v podobě jednoho integrovaného mikroprocesoru (mikročipu). To byl základní rozdíl, který zejména v 70. a 80. létech odlišoval tuto kategorii (někdy označovanou jako 3. Generace počítačů) od tzv. minipočítačů, které byly větší a jejich procesory se často skládaly z mnoha propojených komponent, případně od ještě větších a starších mainfaimů. Mikropočítač byl navržen pro jednoho uživatele a zahrnoval již zmíněný mikroprocesor, paměť (zejména v podobě ROM a RAM), I/O zařízení a sběrnici – to vše často uložené v základní desce.
Není tedy divu, že tento pojem často splývá s pojmem osobní počítač (PC). V nejširším pojetí do této kategorie patří tedy všechna PC, ale i subkategorie přenosných počítačů (laptopy, netbooky, tablety, PDA, mobilní telefony, kalkulátory ad.), a někdy se sem dokonce řadí i celá subkategorie tzv. embedded (vestavěných) systémů jako např. herní konzole, „carputers“, autopiloti, bankomaty atd. V dnešní době se však tento pojem už příliš nepoužívá, případně se jeho význam posouvá dle momentálního vnímání „velikosti“ počítačů.
Vývoj mikropočítačů byl od svých počátků až do současnosti vždy tažen a nejpevněji svázán s vývojem mikroprocesorů. V něm by bylo možné najít mnoho konkrétních význačných milníků, které však už z většiny byly popsány v rámci dalších prací na tomto blogu, a v této práci se pokusím k problematice přistoupit obecněji – vymezím počátek mikroprocesorů a mikropočítačů jako takových a uvedu některé obecné zákonitosti, kterými se jejich vývoj historicky řídil, či stále řídí.
Historicky prvním (jednočipovým) mikroprocesorem byl Intel 4004 vynalezený těmito inženýry: Federico Faggin, Ted Hoff, a Stan Mazor. Společnost Intel ho poprvé uvedla v roce 1971. Byl to velmi jednoduchý 4-bitový, 16-pinový procesor s maximální frekvencí 740 kHz. Již se ale opravdu jednalo o kompletní CPU na jednom čipu. Tento mikroprocesor však zřejmě nikdy nebyl oficiálně nasazen v rámci kompletního mikropočítače a za počátek mikropočítače jako takového lze tedy spíše považovat až počítač MITS Altair 8800 z roku 1975.
Obr. 3 - Počítač MITS Altair 8800 z roku 1975V době svých začátků mohly integrované obvody nést pouze několik málo tranzistorů. S postupem doby se jejich počet zvyšoval a měnil se způsob jejich uspořádání designu mikročipů. Obecně se tento vývoj rozděluje do následujících generací:
- SSI (Small-Scale Integration) znamenala integraci několika jednotek nebo desítek tranzistorů v rámci jednoho čipu. Datuje se do konce 50. a 60. Let, kdy byla poptávka tvořena především armádními raketovými projekty a vesmírným programem Apollo.
- MSI (Medium-Scale Integration) znamenala integraci v řádu stovek tranzistorů, datuje se do konce 60. let a přinesla první pokroky v miniaturizaci a výkonu mikročipů, což umožnilo začít vykonávat operace užitelné v reálných podmínkách.
- LSI (Large-Scale Integration) přišla s počátkem 70. let a byla charakterizována až desítkami tisíc tranzistorů na čip.
- VLSI (Very large-Scale Integration) probíhala od počátku 80. let se spodní hranicí v řádu stovek tisíc tranzistorů na čip a probíhá až dodnes s řádově až jednotkami miliard tranzistorů.
- ULSI (Ultra Large-Scale Integration) je označení navržené pro nejnovější vývoj, zahrnuje technologie jako WSI (Wafer Scale integration) nebo 3D-IC (3 dimensionální IC).
Zřejmě nejuniverzálnějším a principiálně nejzajímavějším pravidlem, kterým by se dal popsat nejen technologický, ale zčásti i ekonomický vývoj mikročipů a mikropočítačů je však Mooreův zákon prvně vyslovený roku 1965. V původní verzi zněl následovně:
„The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year (see graph on next page). Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years.“(Gordon Moore, 1965)
Obr. 4 - Zpětná aplikace Mooreova zákonaPoužité zdroje
http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=38486
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2000/press.html
http://nobelprize.org/educational/physics/integrated_circuit/history/index.html
http://www.ti.com/corp/docs/kilbyctr/jackbuilt.shtml
http://inventors.about.com/od/istartinventions/a/intergrated_circuit.htm
http://integratedcircuithelp.com/invention.htm
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/380316/microcomputer
http://switch2mac.blog.zive.cz/2010/01/strucna-historie-mikropocitacu-pribeh-prvni-cip/
ftp://download.intel.com/research/silicon/moorespaper.pdf
