von Chris Woodford. Zuletzt aktualisiert am: 30. Januar 2020.
Haben Sie jemals von einem Computer aus den 1940er Jahren gehört, der ENIAC genannt wurde? Er war etwa so lang und schwer wie drei bis vier Doppeldeckerbusse und enthielt 18.000 surrende elektronische Schalter, die als Vakuumröhren bekannt sind.
Trotz seiner gigantischen Größe war er tausendmal weniger leistungsfähig als ein moderner Laptop – eine Maschine, die etwa 100 Mal kleiner ist.
Wenn die Geschichte des Computers wie ein Zaubertrick klingt – immer mehr Leistung in immer weniger Raum zu quetschen – dann ist es so! Möglich wurde dies durch die Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC) im Jahr 1958. Es ist eine elegante Methode, Hunderte, Tausende, Millionen oder sogar Milliarden von elektronischen Komponenten auf winzige Chips aus Silizium zu packen, die nicht größer als ein Fingernagel sind. Werfen wir einen genaueren Blick auf ICs und ihre Funktionsweise!
Foto: Ein integrierter Schaltkreis von außen. Dieser hier kommt in einer praktischen Form namens Dual-Inline-Package (DIP), die aus einem schwarzen Plastik- oder Keramikgehäuse mit Metallstiften auf jeder Seite besteht, die in eine größere elektronische Leiterplatte (das braune Ding, das Sie im Hintergrund sehen können) gesteckt werden. Die eigentliche Schaltung, die die Arbeit macht, ist ein winziger kleiner Chip, der in den DIP eingebettet ist; Sie können auf dem nächsten Foto sehen, wie er mit den äußeren Stiften des DIP verbunden ist.
Was ist ein integrierter Schaltkreis?
Foto: Ein integrierter Schaltkreis von innen. Wenn Sie die Abdeckung von einem typischen Mikrochip wie dem auf dem oberen Foto abheben könnten (und das ist nicht so einfach – glauben Sie mir, ich habe es versucht!), würden Sie Folgendes im Inneren finden. Der integrierte Schaltkreis ist das kleine Quadrat in der Mitte. Von ihm gehen Verbindungen zu den Anschlüssen (Metallstifte oder Beine) am Rand aus. Wenn Sie etwas an eine dieser Klemmen anschließen, verbinden Sie sich eigentlich mit dem Schaltkreis selbst. Auf der Oberfläche des Chips selbst können Sie das Muster der elektronischen Komponenten gerade noch erkennen. Foto mit freundlicher Genehmigung des NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Wenn Sie einen Fernseher oder ein Radio öffnen, werden Sie sehen, dass es auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) aufgebaut ist: ein bisschen wie ein elektrischer Stadtplan mit kleinen elektronischen Bauteilen (wie Widerständen und Kondensatoren) anstelle der Gebäude und gedruckten Kupferverbindungen, die sie wie Miniaturmetallstraßen miteinander verbinden. Leiterplatten eignen sich gut für kleine Geräte wie dieses, aber wenn Sie versuchen, die gleiche Technik zu verwenden, um eine komplexe elektronische Maschine wie einen Computer zu bauen, stoßen Sie schnell auf ein Problem. Selbst der einfachste Computer benötigt acht elektronische Schalter, um ein einziges Byte (Zeichen) an Informationen zu speichern. Wenn Sie also einen Computer bauen wollen, der gerade genug Speicher hat, um diesen Absatz zu speichern, benötigen Sie etwa 750 Zeichen mal 8 oder etwa 6000 Schalter für einen einzigen Absatz! Wenn Sie sich für Schalter entscheiden, wie sie im ENIAC verwendet wurden – Vakuumröhren von der Größe eines erwachsenen Daumens -, haben Sie bald eine riesige, stromhungrige Maschine, die ihr eigenes Mini-Elektrizitätswerk braucht, um sie am Laufen zu halten.
Als drei amerikanische Physiker 1947 Transistoren erfanden, verbesserte sich die Lage etwas. Transistoren waren nur noch einen Bruchteil so groß wie Vakuumröhren und Relais (die elektromagnetischen Schalter, die Mitte der 1940er Jahre begonnen hatten, die Vakuumröhren zu ersetzen), verbrauchten viel weniger Strom und waren viel zuverlässiger. Aber es gab immer noch das Problem, all diese Transistoren in komplexen Schaltungen miteinander zu verbinden. Selbst nach der Erfindung der Transistoren waren Computer immer noch ein Wirrwarr von Drähten.
Foto: Integrierte Schaltkreise passen in gedruckte Leiterplatten (PCBs) wie die grüne, die Sie hier sehen. Beachten Sie die dünnen Leiterbahnen, die die „Beine“ (Anschlüsse) von zwei verschiedenen ICs miteinander verbinden. Andere Leiterbahnen verbinden die ICs mit herkömmlichen elektronischen Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren. Sie können sich die Leiterbahnen als „Straßen“ vorstellen, die Wege zwischen „Gebäuden“ herstellen, in denen nützliche Dinge getan werden (die Komponenten selbst). Es gibt auch eine miniaturisierte Version einer Leiterplatte innerhalb eines integrierten Schaltkreises: Die Leiterbahnen werden in mikroskopischer Form auf der Oberfläche eines Silizium-Wafers erzeugt.
Integrierte Schaltkreise haben all das verändert. Die Grundidee war, einen kompletten Schaltkreis mit all seinen vielen Komponenten und den Verbindungen zwischen ihnen zu nehmen und das Ganze in mikroskopisch kleiner Form auf der Oberfläche eines Stücks Silizium nachzubauen. Das war eine erstaunlich clevere Idee und machte alle Arten von „mikroelektronischen“ Geräten möglich, die wir heute als selbstverständlich ansehen, von Digitaluhren und Taschenrechnern bis hin zu Raketen für die Mondlandung und Raketen mit eingebauter Satellitennavigation.
Moore’s Law
Integrierte Schaltkreise revolutionierten in den 1960er und 1970er Jahren die Elektronik und Computertechnik. Zuerst setzten die Ingenieure Dutzende von Komponenten auf einen Chip, was als Small-Scale-Integration (SSI) bezeichnet wurde. Bald folgte die Medium-Scale-Integration (MSI) mit Hunderten von Komponenten auf einer gleich großen Fläche. Um 1970 brachte die Large-Scale-Integration (LSI) Tausende von Komponenten, die Very-Large-Scale-Integration (VLSI) Zehntausende und die Ultra Large Scale (ULSI) Millionen – und das alles auf Chips, die nicht größer waren als zuvor. Im Jahr 1965 bemerkte Gordon Moore von der Intel Company, einem führenden Chiphersteller, dass sich die Anzahl der Komponenten auf einem Chip etwa alle ein bis zwei Jahre verdoppelte. Das so genannte Mooresche Gesetz hat sich seither immer wieder bestätigt. In einem Interview mit der New York Times verriet Moore 50 Jahre später, im Jahr 2015, seine Verwunderung darüber, dass das Gesetz immer noch Bestand hat: „Die ursprüngliche Vorhersage bezog sich auf 10 Jahre, was ich für eine Übertreibung hielt. Es ging darum, von etwa 60 Elementen auf einem integrierten Schaltkreis auf 60.000 zu kommen – eine tausendfache Extrapolation in 10 Jahren. Ich dachte, das sei ziemlich wild. Die Tatsache, dass etwas Ähnliches seit 50 Jahren andauert, ist wirklich erstaunlich.“
Chart: Moore’s Law: Die Anzahl der Transistoren, die in Mikrochips gepackt sind, hat sich in den letzten fünf Jahrzehnten jedes Jahr oder zwei Jahre ungefähr verdoppelt – mit anderen Worten, sie ist exponentiell gewachsen. Wenn Sie die Anzahl der Transistoren (y-Achse) gegen das Jahr der Markteinführung (x-Achse) für einige gängige Mikrochips der letzten Jahrzehnte (gelbe Sterne) auftragen, erhalten Sie eine Exponentialkurve; wenn Sie stattdessen den Logarithmus auftragen, erhalten Sie diese gerade Linie. Bitte beachten Sie, dass die vertikale (y) Achse dieses Diagramms logarithmisch ist und (aufgrund der verwendeten OpenOffice-Grafiksoftware) die horizontale (x) Achse nur vage linear ist: Aufgezeichnet mit Daten aus Transistor Count, Wikipedia, geprüft mit anderen Quellen.