door Chris Woodford. Laatst bijgewerkt: 30 januari 2020.
Heb je ooit gehoord van een computer uit 1940 die de ENIAC heette? Hij was ongeveer even lang en zwaar als drie tot vier dubbeldekkerbussen en bevatte 18.000 zoemende elektronische schakelaars, vacuümbuizen genaamd. Ondanks zijn reusachtige afmetingen was hij duizenden malen minder krachtig dan een moderne laptop, een machine die ongeveer 100 keer kleiner was.
Als de geschiedenis van de computer als een goocheltruc klinkt – steeds meer vermogen in steeds minder ruimte proppen – dan is dat ook zo! Wat dit mogelijk maakte, was de uitvinding van de geïntegreerde schakeling (IC) in 1958. Het is een handige manier om honderden, duizenden, miljoenen of zelfs miljarden elektronische componenten op minuscule chips van silicium te proppen die niet groter zijn dan een vingernagel. Laten we eens nader kijken naar IC’s en hoe ze werken!
Foto: Een geïntegreerde schakeling van buitenaf. Deze wordt geleverd in een handige vorm die een dual-inline package (DIP) wordt genoemd. Deze bestaat uit een zwarte behuizing van plastic of keramiek met metalen pennen aan beide zijden die op een grotere elektronische printplaat kunnen worden aangesloten (het bruine ding dat je op de achtergrond ziet). De eigenlijke schakeling die het werk doet, is een piepkleine chip die in de DIP is ingebouwd; op de volgende foto kunt u zien hoe deze met de buitenste pinnen van de DIP is verbonden.
Wat is een geïntegreerde schakeling?
Foto: Een geïntegreerde schakeling van binnenuit. Als je het klepje van een typische microchip zoals die op de bovenste foto zou kunnen optillen (en dat gaat niet zo gemakkelijk – geloof me, ik heb het geprobeerd!), dan zou je dit binnenin kunnen zien. De geïntegreerde schakeling is het kleine vierkantje in het midden. De aansluitingen lopen van het vierkantje naar de aansluitingen (metalen pinnen of pootjes) aan de rand. Wanneer u iets aansluit op een van deze aansluitingen, maakt u eigenlijk verbinding met de schakeling zelf. Je kunt het patroon van elektronische componenten op het oppervlak van de chip zelf nog net zien. Foto met dank aan NASA Glenn Research Center (NASA-GRC)
Open een televisie of radio en je ziet dat die is opgebouwd rond een printplaat (PCB): een beetje als een elektrisch stratenplan met kleine elektronische componenten (zoals weerstanden en condensatoren) in plaats van de gebouwen en gedrukte koperen verbindingen die ze met elkaar verbinden als metalen miniatuurstraatjes. Printplaten zijn prima voor dit soort kleine apparaten, maar als je dezelfde techniek probeert te gebruiken om een complexe elektronische machine, zoals een computer, te bouwen, stuit je al snel op een probleem. Zelfs de eenvoudigste computer heeft acht elektronische schakelaars nodig om één byte (karakter) informatie op te slaan. Dus als je een computer wilt bouwen met net genoeg geheugen om deze alinea op te slaan, heb je ongeveer 750 karakters maal 8 of ongeveer 6000 schakelaars nodig voor één alinea! Als je kiest voor schakelaars zoals in de ENIAC – vacuümbuizen ter grootte van een duim voor een volwassene – dan krijg je al gauw een kolossaal grote, energieverslindende machine die een eigen mini-elektriciteitscentrale nodig heeft om hem draaiende te houden.
Toen drie Amerikaanse natuurkundigen in 1947 transistors uitvonden, ging het iets beter. Transistors waren een fractie kleiner dan vacuümbuizen en relais (de elektromagnetische schakelaars die halverwege de jaren veertig de vacuümbuizen begonnen te vervangen), verbruikten veel minder stroom en waren veel betrouwbaarder. Maar er was nog steeds het probleem van het met elkaar verbinden van al die transistors in complexe schakelingen. Zelfs na de uitvinding van de transistors waren computers nog steeds een wirwar van draden.
Photo: Geïntegreerde schakelingen passen in printed circuit boards (PCB’s) zoals de groene die je hier ziet. Let op de dunne sporen die de “pootjes” (aansluitingen) van twee verschillende IC’s met elkaar verbinden. Andere sporen verbinden de IC’s met conventionele elektronische componenten zoals weerstanden en condensatoren. Je kunt de sporen zien als “straten” die paden vormen tussen “gebouwen” waar nuttige dingen worden gedaan (de componenten zelf). Er is ook een geminiaturiseerde versie van een printplaat binnenin een geïntegreerde schakeling: de sporen worden in microscopische vorm gecreëerd op het oppervlak van een siliciumwafer.
Geïntegreerde schakelingen hebben dat allemaal veranderd. Het basisidee was een complete schakeling te nemen, met al zijn vele componenten en de verbindingen daartussen, en het geheel in microscopisch kleine vorm opnieuw te maken op het oppervlak van een stukje silicium. Het was een verbazingwekkend slim idee en het heeft allerlei “micro-elektronische” snufjes mogelijk gemaakt die we nu als vanzelfsprekend beschouwen, van digitale horloges en zakrekenmachines tot maanraketten en raketten met ingebouwde satellietnavigatie.
De Wet van Moore
Integratieschakelingen hebben in de jaren zestig en zeventig een revolutie teweeggebracht in de elektronica en de informatica. Eerst plaatsten ingenieurs tientallen componenten op een chip in wat kleinschalige integratie (SSI) werd genoemd; al snel volgde middelgrote integratie (MSI), met honderden componenten op een oppervlak van dezelfde grootte; rond 1970 bracht grootschalige integratie (LSI) duizenden componenten, zeer grootschalige integratie (VLSI) tienduizenden, en ultragrote schaalintegratie (ULSI) miljoenen – en dat alles op chips die niet groter waren dan voorheen. In 1965 merkte Gordon Moore van de Intel Company, een toonaangevende chipfabrikant, op dat het aantal componenten op een chip ongeveer elke één tot twee jaar verdubbelde. De Wet van Moore, zoals deze wet wordt genoemd, is sindsdien blijven gelden. In een interview met The New York Times 50 jaar later, in 2015, onthulde Moore zijn verbazing dat de wet is blijven gelden: “De oorspronkelijke voorspelling was om te kijken naar 10 jaar, wat ik een stretch vond. Dit ging van ongeveer 60 elementen op een geïntegreerd circuit naar 60.000-een duizendvoudige extrapolatie in 10 jaar. Ik vond dat behoorlijk wild. Het feit dat iets soortgelijks al 50 jaar aan de gang is, is echt verbazingwekkend.”
Kaart: Wet van Moore: Het aantal transistors in microchips is in de afgelopen vijf decennia ongeveer elk jaar verdubbeld – met andere woorden, exponentieel gegroeid. Als je het aantal transistors (y-as) uitzet tegen het jaar van lancering (x-as) voor enkele veelgebruikte microchips van de laatste decennia (gele sterren), krijg je een exponentiële curve; als je in plaats daarvan de logaritme uitzet, krijg je deze rechte lijn. Merk op dat de verticale (y) as van deze grafiek logaritmisch is en (als gevolg van de OpenOffice grafieksoftware die ik heb gebruikt) de horizontale (x) as slechts vaag lineair.Bron: Uitgezet met gegevens van Transistor Count, Wikipedia, gecontroleerd aan de hand van andere bronnen.