Mooreův zákon: odhaluje nejen vývoj počítačových čipů

Mooreův zákon nedávno oslavil 50 let své existence, ovšem svou popularitu získal řadu let poté, co Gordon Earle Moore dne 19. dubna 1965 v časopise Electronics Magazine zveřejnil článek s názvem Cramming more components onto integrated circuits, v němž v podstatě jen poukázal na to, čeho si všiml. Jeho pozornosti totiž neušlo, že počet tranzistorů v počítačových čipech se každým rokem zdvojnásobuje, díky čemuž roste i výkon a vyslovil domněnku, že tomu tak bude i v příštích 10 letech. Měl pravdu a v roce 1975 na akci IEEE International Electron Devices Meeting upravil své tvrzení tak, že počet tranzistorů v čipech se bude zdvojnásobovat přibližně jednou za dva roky, což v podstatě platí i dnes. Ve stejném roce byl Mooreův zákon zpopularizován.
Mooreova předpověď v roce 1965 byla pozoruhodně přesná i vzhledem k tomu, že v té době byli výrobci schopni vyrábět čipy maximálně s desítkami tranzistorů, ovšem všemožné grafy začínají spíše v 70. letech, a to procesorem Intel 4004. Však jde také o čip, který je obecně přijímán za první všeobecně využitelný a programovatelný mikroprocesor. Intel s ním přišel v roce 1971 a vytvořil jej z 2300 tranzistorů, které měly výkon srovnatelný s nejlepším sálovým počítačem z roku 1946, čili známým ENIAC (první elektronický víceúčelový počítač).

Mooreův zákon je neodmyslitelně spojen s Intelem právě proto, že Gordon E. Moore v roce 1968 s Robertem Noycem založil firmu NM Electronics, která se krátce nato přejmenovala na Intel Corporation (Integrated Electronics), ovšem právo na využití tohoto názvu muselo být odkoupeno od firmy Intelco. Mooreův zákon tak pochopitelně začal platit především v samotné firmě Intel, kde se stal páteří pro budoucí roadmapy a uživatelům a zákazníkům zase sliboval neustálý přísun novinek s vyšším a vyšším výkonem. Stal se technologickou mantrou, na niž se odkazuje už dlouhá desetiletí a o níž se také už mnoho let mluví ve smyslu, že brzy přestane platit. Doposud se tak nestalo, i když samotný Moore už nyní říká, že do 10 let bude jeho zákon přemožen nepřekonatelnými překážkami, které přináší neustálé zmenšování stavebních prvků počítačových čipů, kde již narazíme na fyzické hranice používaných materiálů, čili atomární strukturu.

Ovšem 50 let platnosti Mooreova zákona je i tak velmi dlouhá doba, zvláště když si uvědomíme, že v roce 1965 nikdo nemohl tušit, jaké technologie budou k dispozici v novém tisíciletí. Však řada fantastů si v té době představovala, že dnes budeme svištět po dálnici ve vznášedlech a na dovolenou jezdit na Měsíc. To sice můžeme, ale leda na měsíc s malým m.

Tranzistor, ten to začal

První tranzistor se objevil v roce 1947 v Bellových laboratořích jako "transfer resistor". John Bardeen a Walter Brattain experimentovali s germaniem se zlatými kontakty a výsledků jejich práce si všiml jejich vedoucí William Shockley, který stál za vývojem prvního tranzistoru s pevnými částmi (tzv. Point-contact transistor). Využil k tomu základnu z kovu a germania (báze), na níž byl přitlačen plastový klínek se dvěma zlatými plíšky, jež byly spojeny s germaniem a dělila je od sebe jen úzká štěrbina, čili jeden zlatý kontakt sloužil jako emitor a druhý jako kolektor. Pokud jsme tedy přivedli proud na emitor, mělo to dopad na proud tekoucí kolektorem, takže malá změna v proudu tekoucí přes emitor se na kolektoru znásobila a tranzistor fungoval jako zesilovač, což je tedy jeho základní funkce vedle přepínače. Point-contact byl po několika letech nahrazen bipolárním tranzistorem, který byl levnější na výrobu a odolnější a také germanium bylo postupně nahrazeno především křemíkem, základním stavebním prvkem dnešních čipů.
Bardeen, Brattain a Shockley za svou práci získali v roce 1956 Nobelovu cenu za fyziku, a to konkrétně za objevení tranzistorového jevu, čímž otevřeli cestu k výrobě polovodičových čipů, jak je známe dnes. Ovšem pokud by s ním nepřišli oni, pak by to byli němečtí inženýři Herbert Mataré a Heinrich Welker, kteří vyrobili vlastní germaniový tranzistor jen rok po američanech a nazvali jej transistron. Lidé ze Shockleyho týmu, mezi něž mimochodem patřil i Moore, pak založili některé známé společnosti, čili krom Intelu také Fairchild Semiconductors, dnešní Texas Instruments.

První planární či rovinný tranzistor byl vyvinut právě ve firmě Fairchild, a to v roce 1959 (některé zdroje udávají již rok 1958) doktorem Jeanem Hoernim, jedním z "osmi zrádců", kteří opustili Shockleyho (dle nich byl špatný manažer) a přešli k Shermanu Fairchildovi i s potřebným duševním vlastnictvím. Jde o další neméně důležitý krok na cestě k dnešním čipům, neboť planární proces výrobu tranzistorů značně zlevnil a umožnil tvorbu prvních integrovaných obvodů. Tento proces totiž využívá fotolitografii s využitím křemíkových waferů, na nichž se s pomocí oxidace, pokovování, leptání a difúze vytváří struktura celého obvodu s tranzistory, podobně jako když tiskárna vytváří obrázek na papíře, jen samozřejmě s poněkud složitějšími procesy. Pro samotnou výrobu tranzistorů tedy už nebylo třeba téměř žádné ruční práce, čímž se také otevřela cesta k postupné miniaturizaci pomocí zdokonalování výrobních nástrojů a sám Moore uvedl, že právě počátek výroby planárních tranzistorů znamená i počátek jeho zákona a opravdové počítačové revoluce.
Převaha planárního procesu byla tak jasná, že odepsala celou divizi firmy Philco, která právě dostavěla zbrusu novou továrnu na výrobu tranzistorů typu PADT (Post-Alloy Diffused Transistor). Toto zařízení v ceně 40 milionů dolarů bylo najednou zastaralé a v průběhu několika příštích let začaly ostatní společnosti kopírovat technologii firmy Fairchild, nebo si ji případně licencovaly. Samotný Fairchild prodal první várku 100 planárních tranzistorů firmě IBM, a to za 150 dolarů/kus. V roce 1960 se poté firmě podařilo vyrobit první integrovaný okruh skládající se ze 4 tranzistorů na jednom křemíkovém waferu a její výroba se dále zdokonalovala, čímž klesaly i náklady. V polovině 60. let byl Fairchild v USA jednou z velmi mála firem, které na výrobě polovodičových součástek vydělávaly a byla to pro tuto firmu zlatá léta, která se už nikdy neopakovala.

Nastoupily jiné firmy, technologie se dále vyvíjely a po různých zaměstnaneckých rošádách a ve stínu konkurence firmy Texas Instruments firma v roce 1967 poprvé po 10 letech spadla do ztráty. Dvojice ze spoluzakladatelů divize Fairchild Semiconductos, Robert Noyce a Gordon Moore, se rozhodla firmu opustit poté, co Noyce nebyl přijat jako nástupce dosavadního CEO samotným Shermanem Fairchildem. Noyce tedy společně s Moorem, tehdejším ředitelem výzkumu a vývoje, odešel a v dalším roce založili Intel, do nějž z Fairchild přešel i Andrew Grove a Leslie Vadász, kteří s sebou přinesli klíčovou technologii MOS Silicon Gate Technology (SGT). Ta se stala základem pro rychlejší, hustší a spolehlivější integrované obvody a také otevřela cestu ke zbrusu nové elektronice, např. CCD kamerovým čipům, pamětem DRAM, Flash nebo EPROM. Není tedy divu, že mezi první produkty Intelu patřily paměťové čipy (světově první MOS - Metal Oxide Semiconductor RAM) nebo právě EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory). A zanedlouho následoval také procesor Intel 4004.