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„Electronic „brains” approaching the human brain in scope and reliability came much closer to reality today with the announcement by Texas Instruments Incorporated of the first commercial production of silicon transistors kernel-sized substitutes for vacuum tubes.”
Pressemitteilung 1954. (https://www.computerhistory.org/tdih/may/10/)
Am 10. Mai 1954 fand eine Konferenz des Instituts für Funkingenieure statt, bei der wissenschaftliche Vorträge aus dem Bereich der Elektronik im weiteren Sinne gehalten wurden. Ein großer Teil davon war dem Germanium gewidmet, genauer gesagt den Problemen, die dieser Halbleiter verursacht. Man hat sich über seine Stabilität und seine Festigkeit beklagt, aber vor allem die Temperaturempfindlichkeit dieses Elements bemängelt. Das ist immerhin viel weniger als bei den heute üblichen Siliziumbauteilen, die bis zu etwa 150°C aushalten können. Die vibrierenden Germaniumatome beginnen bereits bei etwa 70°C, freie Ladungsträger auszustoßen, ein äußerst interessanter Prozess, den ich in einem meiner Artikel – Wie brennt ein Transistor in einem gemeinsamen Emitterkreis?
Schon damals erkannten die Wissenschaftler, dass die Zukunft nicht Germanium-Bauteile, sondern Silizium ist. Dieses Material steht im Periodensystem direkt neben dem oben genannten Element und war nach den damaligen Forschungen ideal geeignet, um als Halbleiter der Zukunft bezeichnet zu werden. Allerdings war die Zähmung von Silizium selbst problematisch und die verfügbaren Verarbeitungstechniken waren recht teuer und kompliziert.
In der ersten Reihe des Konferenzraums saß Gordon Teal, ein Ingenieur von Texas Instruments. Er hörte sich aufmerksam die Klagen der folgenden Redner an und ihre Behauptungen, dass Siliziumtransistoren noch mindestens ein paar Jahre warten müssten. Als es an der Zeit war, zu sprechen, trat Gordon ans Rednerpult und begann auf eine eher unerwartete Weise. “Im Gegensatz zu dem, was meine Vorredner über die düsteren Aussichten für Siliziumtransistoren gesagt haben, habe ich ein paar in der Tasche.” Wir können uns nur die Bestürzung vorstellen, die damals im Konferenzraum geherrscht haben muss.
Texas Instruments, bei dem Gordon angestellt war, war damals noch ein junges Start-up-Unternehmen, das mit dem heutigen Konzern nicht zu vergleichen ist. Trotzdem drängte das Unternehmen ziemlich stark in den Elektronikmarkt. Zugegeben, der Transistor, den sie vorbereitet haben, war nicht der erste der Welt. Dieser Titel geht an einen Prototyp, der in den Bell Labs entwickelt wurde, wo Teal die letzten 22 Jahre verbrachte, bevor er zu TI kam. Trotzdem muss man den Ingenieuren von Texas Instruments zugutehalten, dass sie mit einem riesigen Unternehmen wie AT&T konkurrierten, dessen F&E-Ressourcen aus der Sicht eines kleinen Start-ups nahezu unbegrenzt waren. Es mag den Anschein haben, dass die Entwicklung des Siliziumtransistors bei TI nur ein Zufall war, aber das Unternehmen hatte einen entscheidenden Vorteil – es hatte nichts zu verlieren. Seine Ingenieure konnten sich voll und ganz der Vorbereitung der Massenproduktion von Transistoren widmen, und wenn dies nicht gelänge, würde das Unternehmen einfach aufhören zu existieren. Die Idee war jedoch etwas anders und viel zukunftsweisender. Gordon Teal und seine Kollegen haben die Entwicklung des Halbleitermarktes genau vorhergesagt. Die Entwicklung des Transistors oder seiner Massenproduktion war nur ein Sprint, das eigentliche Ziel war ein Marathonlauf.
Ein ungewöhnlicher Fall
1958 tritt Jack Kilby dem Team von Texas Instruments bei. Er war ein recht junger Elektroingenieur, der sein Wissen an der Universität von Milwaukee, Wisconsin, erwarb. Kilbye war schon immer von der Miniaturisierung elektronischer Komponenten fasziniert, woraus er auch keinen Hehl gemacht hat. Wie er sich Jahre später erinnerte, war TI das einzige Unternehmen, das ihm erlaubte, sich diesem Thema fast Vollzeit zu widmen. Im Sommer wechselte Jack zu Texas Instruments, was leider einige Nachteile mit sich brachte. Als junger Angestellter hatte er keine freien Tage, so dass er das Büro an seinem ersten Arbeitstag menschenleer vorfand. Die meisten Mitarbeiter waren zu dieser Zeit im Urlaub und Kilby musste seine Arbeit selbst organisieren.
Da er sich voll und ganz dem Thema Miniaturisierung widmen konnte, kam der junge Ingenieur recht schnell auf eine Idee, die in ihrer Einfachheit brillant war. Wie wäre es, wenn man statt der Verbindung elektronischer Komponenten durch Drähte oder Kupferbahnen auf Leiterplatten alles in ein ‘Gerät’, oder anders gesagt, in eine elektronische Komponente packen würde. Nur ein paar Wochen später erblickte der erste Prototyp das Licht der Welt. Kilby entwickelte ein kleines Bauteil auf Germaniumbasis, das als einfacher Oszillator aus zwei Transistoren fungierte. Trotz der Einfachheit muss man sagen, dass der Ingenieur eines der größten Probleme der damaligen Technologie löste und einen integrierten Schaltkreis entwickelte, auch wenn er sich dessen nicht ganz bewusst war. Kurz darauf, bereits im Februar 1959, wurde die Anmeldung 3138743 – ‘Miniaturisierte elektronische Schaltung’ – beim US-Patentamt eingereicht.
Der Patentkrieg
Als er an der ersten integrierten Schaltung von Jack Kilby arbeitete, wusste er nicht, dass auch jemand anderes an dem Problem der Miniaturisierung der Elektronik arbeitete. Der im Silicon Valley sehr bekannte Mitbegründer von Firchild Semiconductor und in Zukunft von Intel – Robert Noyce. Während Texas Instruments die Entwicklung eines miniaturisierten elektronischen Schaltkreises feierte, kam Noyce auf eine ganz ähnliche Idee – die Verwendung eines Halbleiters, der als individuelles ‘Gerät’ fungieren konnte. Ein Prototyp des nächsten IC wurde genauso schnell entwickelt, aber die Implementierung war etwas anders.
Jahre zuvor, als die Technikwelt um die Massenproduktion von Siliziumtransistoren kämpfte, gewann Texas Instruments das Rennen nicht etwa, weil sie das besagte Bauteil zuerst entwickelt hatten, sondern weil sie es besser konnten. Anstatt das problematische Germanium zu verwenden, gossen sie Silizium als Halbleiter. Das Chip-Paradigma scheint in dieser Hinsicht recht ähnlich zu sein, aber dieses Mal war es TI, das den Kürzeren zog. Noyce’s Prototyp basierte von Anfang an auf Silizium. Dieser Ingenieur erkannte, dass das Element trotz der komplizierteren Verarbeitung perfekter und stabiler war und dass das Germanium, das noch verwendet wurde, auf der Verliererseite stand. Außerdem war der Silizium-Prototyp ein in einem versiegelten monolithischen Gehäuse eingeschlossener Chip, der auch in späteren Jahren zum Industriestandard wurde. Es liegt eine gewisse Ironie in dieser Geschichte, insbesondere im Zusammenhang mit der früheren Entwicklung der Massenproduktion von Transistoren durch Texas Instruments.
Am 30. Juli 1959, weniger als sechs Monate nach dem Patent von Jack Kilby, reicht Firchild Semiconductor sein eigenes Dokument ein, das kurz darauf bestätigt wird. Das ist ein kleines Problem, das einen Patentkrieg auslöst, denn beide Unternehmen sehen sich als die Erfinder des Chips, die von der Lizenzierung profitieren können. Natürlich war Texas Instruments erster, aber Robert Noyce hat es besser gemacht, so dass es für das Gericht unmöglich war, vollständig zu argumentieren, auf welcher Seite die Gerechtigkeit stehen sollte. Am Ende einigten sich die beiden Unternehmen auf eine Einigung, die für TI nicht ganz günstig war. Das Unternehmen durfte Siliziumchips ohne Einschränkung herstellen, musste aber eine Lizenzgebühr an Firchild Semiconductor zahlen, die wahren Pioniere bei der Verwendung dieses Elements. Die gerichtliche Auseinandersetzung hat den Ruf von Texas Instruments etwas getrübt, so dass das Unternehmen etwas schlechter abgeschnitten hat. Die Mittel für Forschung und Entwicklung wurden gekürzt und der Vorstand suchte verzweifelt nach einer neuen Idee.
Eigene Nische
Texas Instruments gibt es heute noch, und es ist offensichtlich, dass das Unternehmen nach dem Kampf mit den integrierten Schaltkreisen endlich seinen Weg gefunden hat. Der damals amtierende CEO Pat Heggerty glaubte, dass die Zukunft im Markt für Unterhaltungselektronik lag. Deshalb initiierte er ein geheimes Projekt namens ‘Project Cal Tech’. Er arbeitete an einem kleinen, tragbaren Gerät mit Tastatur, Bildschirm und Batteriebetrieb, das von einem bei TI hergestellten Chip versorgt werden konnte. So behält sich Texas Instruments 1967 das Recht vor, einen tragbaren Taschenrechner herzustellen. Zu dieser Zeit waren solche Geräte nur großen Buchhaltungsfirmen vorbehalten, so dass eine tragbare Version des Taschenrechners zum Erfolg verdammt war. Der TI-2500, so der Name des Geräts, verkaufte sich hervorragend, obwohl der Preis nicht der niedrigste war – 119,95 $, was nach heutigen Maßstäben etwa 1.100 $ entsprechen würde. Im ersten Jahr wurden 17 Millionen Exemplare verkauft, im darauf folgenden Jahr stieg die Zahl auf 45 Millionen und veränderte die Art und Weise, wie wir lernen und uns bilden. Der Erfolg des Rechners war auch die treibende Kraft hinter der Idee einer groß angelegten Rückkehr in die Halbleiterindustrie.
Die Konkurrenz jener Jahre, wie beispielsweise Intel, konzentrierte sich vor allem auf digitale Schaltkreise. Angesichts des aufstrebenden Computermarktes war dies auch der medienwirksamste Zweig der Halbleiterindustrie. Texas Instruments beschloss, sich auf eine etwas andere Nische zu konzentrieren, nämlich auf analoge Schaltungen. Diese waren zwar nicht so aufregend, aber auch ein wichtiger Teil der Industrie. Jeder Digital- und Medienchip benötigte Begleitchips, um die entsprechende Stromversorgung zu gewährleisten oder Sensordaten vorzuverarbeiten. Der Einstieg in die analoge Welt war ein Schritt, der auf langfristigen Erfolg ausgerichtet war. Interessanterweise funktioniert dieser Mechanismus sogar in der heutigen Zeit. Während alle über die wachsende Macht von Nvidia und deren Grafikchips im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz sprechen, wissen nur wenige, dass Texas Instruments genauso schnell wächst. In den letzten Jahren machte der Umsatz des Unternehmens im analogen Bereich etwa 74% des Gesamtumsatzes aus, das sind mehr als 13 Milliarden Dollar. Künstliche Intelligenz und die neuesten Prozessoren benötigen immer noch eine Masse von kooperativen Chips, die Texas Instruments produziert.
Quellen:
- https://www.computerhistory.org/tdih/may/10/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Gordon_Kidd_Teal
- https://education.ti.com/en/success-story/jack-kilby-day
- https://rafalbartoszak.pl/miniaturyzacja-wielkich-idei-jak-powstaly-uklady-scalone/
- https://de.wikipedia.org/wiki/Robert_Noyce
- https://www.dallasnews.com/news/from-the-archives/2021/04/08/after-going-all-in-with-its-chips-texas-instruments-tried-its-hand-at-toys-and-calculators/
- https://www.meteca.org/the-history-of-the-first-microchip/
- https://manufacturingdigital.com/procurement-and-supply-chain/a-microchip-timeline-from-1959-to-the-supply-chain-shortage
- http://www.animatedexplanations.com/who-invented-silicon-chip/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Jack_Kilby
- https://patents.google.com/patent/US3138743
- https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit
- https://www.allaboutcircuits.com/news/jack-kilby-and-the-world-first-integrated-circuit/
- https://www.cascade.app/studies/texas-instruments-strategy-study
