Historia procesora, który 55 lat temu Intel przedstawił światu, zaczęła się od kalkulatora. Japońska firma Busicom chciała zbudować maszynę, która zmieści się na biurku i wydrukuje wynik na pasku papieru. Zamówiła u Amerykanów dwanaście specjalnych układów elektronicznych. Inżynierowie zaproponowali cztery. Jeden z nich miał szczególną zaletę. Wystarczyło zmienić program, żeby ten sam kawałek krzemu mógł wykonywać inne zadania.
Tak powstał Intel 4004, którego pierwsza reklama ukazała się 15 listopada 1971 roku. Skąd jednak przemysł elektroniczny wziął kryształy krzemu tak dobre, by można było budować na nich procesory? Tu zaczyna się polski wątek tej historii.
Jan Czochralski urodził się w 1885 roku w Kcyni, w rodzinie stolarza. Jako chłopiec chętnie zaglądał do miejscowej apteki „Pod Czarnym Orłem”, gdzie mógł przyglądać się mieszaniu substancji i obserwować reakcje chemiczne. Później trafił do Berlina. Tam również pracował w aptece, a w 1907 roku dostał posadę w laboratorium koncernu elektrycznego AEG. Dziewięć lat później nurtowało go pytanie, które na pierwszy rzut oka niewiele ma wspólnego z telefonem czy komputerem. Chciał zmierzyć, jak szybko rośnie kryształ w stygnącym metalu.
Według najchętniej powtarzanej historii pomogło mu roztargnienie. Któregoś wieczoru miał sięgnąć po pióro i zamiast w kałamarzu, zanurzył stalówkę w tyglu z roztopioną cyną. Kiedy podniósł rękę, za piórem pociągnęła się cienka, srebrzysta nitka. Historycy traktują opowieść o pomylonych naczyniach jako legendę. Dobrze udokumentowana jest za to metoda, którą Czochralski opracował w 1916 roku. Badacz pokazał, że z płynnego metalu można powoli wyciągać pojedynczy, rosnący kryształ. Właśnie od tamtych doświadczeń mija w tym roku 110 lat.
Jak działa metoda Czochralskiego? Najłatwiej wyobrazić sobie jej współczesną wersję. Nad naczyniem z roztopionym krzemem zawiesza się maleńki kryształ tego samego pierwiastka. Jego koniec dotyka gorącej powierzchni. Gdy urządzenie powoli go obraca i unosi, krzem z naczynia stopniowo krzepnie na końcu kryształu. Kolejne atomy układają się według wzoru, który wyznaczył pierwszy maleńki fragment. Kryształ przyrasta od dołu, a nad naczyniem wyłania się coraz dłuższy walec. Przez całą jego długość atomy zachowują ten sam uporządkowany układ. Stąd nazwa „monokryształ”.
W 1948 roku po pomysł polskiego uczonego sięgnął Gordon Teal z amerykańskiego laboratorium Bell Labs. Użył go do otrzymania kryształu germanu, materiału wykorzystywanego we wczesnych tranzystorach. Te maleńkie elementy pozwalają między innymi włączać i wyłączać przepływ prądu. Aby wiele takich przełączników pracowało przewidywalnie, inżynierowie potrzebowali materiału o możliwie jednolitej budowie. Z czasem szczególnego znaczenia nabrał dobrze obecnie znany krzem. Kiedy w 1971 roku Intel pokazał swój mikroprocesor do kalkulatora, w jednym układzie mieściło się już ponad dwa tysiące tranzystorów.
Co ciekawe, o dalszych losach tego procesora zdecydowała po części cena kalkulatorów. Gdy na rynku zrobiło się ciasno, japoński producent chciał obniżyć koszty i ponownie usiadł z Intelem do negocjacji. W maju 1971 roku obie firmy dobiły targu. Intel zwrócił Japończykom 60 tysięcy dolarów zainwestowanych w opracowanie układu. W zamian uzyskał prawo sprzedaży procesora do zastosowań innych niż kalkulatory. Kiedy więc w listopadzie w branżowym piśmie „Electronic News” pojawiła się reklama modelu 4004, mogli się nim zainteresować konstruktorzy zupełnie innych urządzeń.
Dzisiejszy przemysł wyrósł daleko poza skalę doświadczenia ze srebrzystą nitką. Krzemowy walec może mieć ponad metr długości i 30 centymetrów średnicy, mniej więcej tyle co duży talerz obiadowy. W fabryce tnie się go na cienkie, okrągłe płytki, a ich powierzchnię starannie poleruje. Dopiero na tak przygotowanym podłożu powstają układy elektroniczne. Z podobnej płytki mogą pochodzić zarówno procesory wykonujące obliczenia, jak i czujniki obrazu, dzięki którym aparat w telefonie rejestruje zdjęcie.
Czochralski zmarł w 1953 roku, osiemnaście lat przed ukazaniem się reklamy Intela. Jego nazwisko można za to do dziś znaleźć w miejscu, do którego rzadko zagląda właściciel smartfona. W katalogach producentów płytek krzemowych, obok informacji o średnicy i właściwościach materiału, widnieją niepozorne litery „CZ”. Dla inżyniera zamawiającego płytkę to krótka informacja o sposobie wyhodowania kryształu. Dla nas symbol rozwoju technologii, która nie mogłaby rozwinąć się w podobnym tempie, gdyby nie Czochralski.
Adrian Pluta
E-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
