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Heutzutage ist eine der ersten Assoziationen mit Elektronik natürlich die Computerindustrie. Wir sind von digitalen Geräten umgeben, mit denen wir arbeiten, indem wir eine Excel-Tabelle nach der anderen ausfüllen, wir entspannen uns, indem wir uns die nächste Staffel unserer Lieblingsserie auf dem Fernsehbildschirm ansehen, oder wir bestellen Essen über eine der Anwendungen, die auf unseren Smartphones verfügbar sind. Moderne Geräte aus dem Umfeld der Computerindustrie sind erstaunliche Werkzeuge, die es uns wie nie zuvor ermöglichen, auf Informationen zuzugreifen, die in der größten Enzyklopädie gespeichert sind, die der Mensch je geschaffen hat: dem Internet. Es liegt nur an uns, wonach wir tatsächlich greifen. Das war jedoch nicht immer so. Vor nicht allzu langer Zeit, noch in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, wurde die Welt von der analogen Technologie beherrscht.
Damals basierten die Geräte auf elektrischen Signalparametern. Das konnte der Wert der Spannung, der fließende Strom oder die Frequenz sein, aber die heute üblichen logischen Null- und Eins-Werte (die nomen omen auf der elektrischen Spannung basieren), die bereits theoretisch bekannt waren, wurden noch nicht so häufig verwendet. Beliebte Geräte wie Radios, das erste Fernsehen oder frühe Rechenmaschinen, die wir heute als einfache Computer bezeichnen würden, basierten auf Elektronenröhren. Diese heute etwas in Vergessenheit geratenen Bauteile waren die Grundbausteine elektronischer Schaltungen. Sie fungierten als Verstärker- und Schaltelemente und waren, obwohl sie den Markt revolutionierten, auch mit vielen Nachteilen behaftet. Die Röhren waren groß, stromfressend und störanfällig, was den Aufbau komplexerer Systeme wie der oben erwähnten ersten Computer extrem erschwerte. Beispiele für diese Art von Geräten sind der ENIAC, Colossus oder UNIVAC, die Meilensteine in der Computertechnologie sind. In ihrer Blütezeit mögen diese Geräte beeindruckend gewesen sein. So konnte der ENIAC beispielsweise rund 5.000 Additions- oder Subtraktionsoperationen pro Sekunde durchführen. Aber trotzdem wog der Computer 27 Tonnen, verbrauchte 140 kW Strom, beanspruchte etwa 140 Quadratmeter und stürzte im Durchschnitt alle zwei Tage ab.
Obwohl die Vakuumröhrentechnologie zu ihrer Zeit leistungsstark und revolutionär war, konnte sie den Anforderungen der sich ständig verändernden Welt der Technik nicht gerecht werden. Die Ingenieure und Designer dieser Zeit brauchten etwas “Besseres”, etwas, das die Röhren ersetzen und gleichzeitig alle ihre Nachteile beseitigen konnte.
Alea iacta est - der Aufstieg des Transistors
Wir mussten nicht lange auf eine Alternative zu den großen und sperrigen Elektronenröhren warten. Im Jahr 1947 entwickelten John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain in den Bell Labs, wo viele innovative Entdeckungen gemacht wurden, den ersten Prototyp eines Transistors. Obwohl die ersten Konzepte für ein Halbleiterelement dieser Art auf die 1920er Jahre zurückgehen, gab es erst mit dem Transistor, den wir heute als Punkt-zu-Punkt-Transistor bezeichnen würden, ein wirklich funktionierendes Element.
Er bestand aus einem Germanium-Wafer, auf dem eine Goldfolie angebracht war, die dann in zwei Teile geschnitten wurde. So entstand ein funktionsfähiges Gold-Germanium-Gold-Halbleiter-Sandwich. Die ersten Transistoren waren zwar unvollkommen, wurden aber fast sofort als interessante Alternative zur Vakuumröhre erkannt. Spätere Iterationen des Transistors, insbesondere das Siliziumdesign von 1951, das die Temperaturprobleme der Germaniumelemente beseitigte, die versagten, sobald sie 75°C oder so überschritten, waren sogar noch perfekter. Die neuen Elemente konnten Signale verstärken, aber der wichtigste Aspekt war der gesättigte oder verstopfte Zustand, in den der Transistor versetzt werden konnte.
Ein gesättigter Zustand kann einfach als eine Situation beschrieben werden, in der Strom durch den Transistor fließt, während in einem verschlossenen Zustand kein Strom fließt. Das ist natürlich eine Vereinfachung, aber wenn das Bauteil richtig angesteuert wird, könnte es sich wie ein Schalter verhalten, der den Stromfluss ein- oder ausschaltet. Die Korrelation zwischen dem fließenden Strom und dem Spannungswert, der an dem Bauteil anliegt, war bereits bekannt und man erkannte sehr schnell, dass der Transistor als physikalisches Element fungieren kann, das boolesche logische Zustände repräsentiert und eine boolesche Eins oder Null wiedergibt.
Der als Schalter fungierende Transistor war sogar ideal für die Verarbeitung digitaler Signale geeignet, bei denen Informationen durch logische Zustände kodiert wurden und diese tatsächlich durch die entsprechenden elektrischen Spannungswerte dargestellt wurden.
Vergessene Hybriden
Mit hybriden elektronischen Bauteilen verbinden wir vor allem die Ende des 20. Jahrhunderts beliebten Designs. Sie kombinierten die bereits bekannten durchkontaktierten Elemente mit der damaligen Neuheit, der Oberflächenmontage. Die Schaltungen GCA-058 und GCA-056, die im Forschungs- und Entwicklungszentrum von Unitra in Krakau hergestellt wurden, sind ein Beispiel für diese Art von Design. Wie Sie sehen können, kombinieren sie einen klassischen Chip in einem DIP8-Gehäuse, SMD-Kondensatoren, direkt auf einem Keramiksubstrat montierte Siliziumkerne und darauf gesputterte Widerstände. Obwohl die Hybridelektronik nur mit solchen Produkten in Verbindung gebracht wird, gab es schon viel früher Designs, die mit diesem Namen beschrieben werden können.
Die ersten Transistoren waren zu ihrer Zeit revolutionär, aber viele Hersteller begegneten ihnen mit einer gewissen Beklommenheit. Als teure, unbekannte und potenziell problematische Komponenten konnten sie tatsächlich unnötige Probleme für jeden mit sich bringen. Deshalb wurden in den ersten Geräten Transistoren parallel zu den bekannten und raffinierten Vakuumröhren verwendet.
Unter anderem entschied sich die niederländische Firma Philips für eine solche Lösung. Das von diesem Hersteller und dem Zwillingsunternehmen STAVIN entworfene PASCAL-Computersystem verwendete Hybridmodule, die auf einer Kombination aus E88CC-Elektronenröhren, OC45 (PNP)-Transistoren und Widerständen basierten. Insgesamt war der Computer mit 1.100 solcher Schaltungen ausgestattet, die in einem modularen System montiert waren. Dies ist jedoch nur ein kleiner Ausschnitt des PASCAL/STAVIN-Systems; insgesamt wurde der Computer mit 2.000 Röhren, 10.000 Transistoren und 15.000 Dioden gebaut.
Philips mag uns zwar als ein im Grunde verschlossenes Unternehmen erscheinen, das Hybridschaltungen baute, die noch weitgehend auf Glasblasen basierten, aber ein solches Bild kann in die Irre führen. Von dem Moment an, als Mitarbeiter der Bell Labs der Welt den Transistor zeigten, war sich das Management von Philips der zukünftigen Möglichkeiten bewusst, die diese Komponenten bieten könnten. Das Ergebnis einer kühlen Berechnung war die Ansicht, dass es wichtig war, in die Halbleiterindustrie zu investieren, denn die Zukunft würde höchstwahrscheinlich den Niedergang der Vakuumröhren und das Zeitalter des Transistors bringen.
Die Aktivitäten von Philips auf dem relativ kleinen und nicht sehr profitablen Hobbyelektronikmarkt jener Jahre sind ebenfalls von einigem Interesse. Bereits Ende 1957 und Anfang 1958 beschloss das Unternehmen, eine Broschüre mit dem Titel ‘Pioneer I’ zu bewerben, in der der Selbstbau eines Radios beschrieben wurde, das auf OC13- und OC14-Transistoren basierte. Ironischerweise handelte es sich bei diesen Bauteilen im Wesentlichen um Abfallprodukte aus der Produktion von Transistoren mit der Bezeichnung OC71 und OC72. Die verfügbaren Quellen deuten darauf hin, dass die verzerrten Entwürfe nur einen geringeren Verstärkungsparameter aufwiesen, aber das wirkte sich wahrscheinlich auch auf die Gesamtleistung des gebauten Radios aus.
Transistor-Widerstand-Logik und Ableitungen
Der Transistor liegt nicht weit hinter dem integrierten Schaltkreis. Das Aufkommen der ersten Halbleiterkomponenten ebnete Designern und Ingenieuren den Weg für den Bau dessen, was wir heute als integrierte Schaltkreise bezeichnen würden. Diese erschienen fast parallel zu immer mehr Prototypen von aufeinanderfolgenden Transistoren. Ursprünglich handelte es sich bei den “integrierten Schaltkreisen” um Transistoren, die in einem hermetischen Gehäuse eingekapselt waren, mit dazugehörigen passiven Komponenten. Man könnte darüber streiten, ob man diese Art von Hardware als integrierte Schaltungen bezeichnen kann. Im Grunde waren sie Hybride, ähnlich wie die Transistor-Lampen-Schaltungen des PASCAL-Computers. Der Unterschied war, dass diese Konstruktionen viel kleiner waren und, was noch wichtiger war, sobald das Gehäuse versiegelt und mit Epoxidharz ummantelt war, war es nicht mehr möglich, ins Innere zu gelangen, was an die heutigen integrierten Schaltkreise erinnert.
Doch ob wir die ersten Dosen mit Halbleitern in ihrem Inneren nun als integrierte Schaltkreise oder als Hybride bezeichnen, der Trend zur Miniaturisierung, der noch kommen sollte, ist bereits zu erkennen.
Ein Meilenstein wurde mit den ersten RTL-Chips (Resistor-Transistor Logic) erreicht. Obwohl diese Art von Design zunächst auf diskreten Komponenten basierte, ermöglichte die fortschreitende Entwicklung der Halbleiterindustrie im Laufe der Zeit den Aufbau von Schaltkreisen, die auf einem einzigen Silizium-Wafer basieren. Die Verarbeitung von Silizium ermöglichte es, Komponenten wie Transistoren und Widerstände auf einem gemeinsamen Substrat zu platzieren, was aus heutiger Sicht wirklich bahnbrechend ist. Das gemeinsame Substrat ermöglichte dann die Produktion von Schaltungen in großem Maßstab, die aus wenigen, sehr kleinen Elementen bestanden.
Die ersten RTL-Schaltungen waren einfache oder doppelte Logikgatter. Ein Vertreter dieses Trends ist das duale Multi-Transistor-NOR-Gatter, das Sie auf dem Foto oben sehen können. Interessanterweise war dieses Bauteil eine der Komponenten im Apollo Guidance Computer, dem Computer des Raumschiffs Apollo.
Die RTL-Technologie war zwar bahnbrechend, litt aber unter einer Reihe von Problemen. Chips dieser Art verbrauchten viel Strom und waren außerdem empfindlich gegenüber Störungen. Daher wurde in den folgenden Jahren das Konzept entwickelt, Schaltungen auf der Basis von Transistoren und Dioden (DTL) zu bauen, aus dem sich schließlich die recht bekannte TTL-Technologie (Transistor-Transistor-Logik) entwickelte.
Digitaler Wahnsinn
Die 1970er Jahre waren die Zeit, in der die digitale Variante der Elektronik den Grundstein für ihre zukünftige Dominanz legte. Die allmähliche Entwicklung der Halbleiterindustrie ermöglichte den Bau immer komplexerer integrierter Schaltkreise, die wirklich bemerkenswerte Funktionen ausführen konnten, aber die Entwicklung des ersten Mikroprozessors erwies sich als weiterer Meilenstein. Im Jahr 1971 wurde das bisherige Prinzip des spezialisierten Elektronikdesigns durchbrochen. Damals präsentierten Ted Hoff und Federico Faggin der Welt den ersten Chip, der in der Lage war, ein im Speicher abgelegtes Programm auszuführen – den Intel 4004. Damit wurde die Welt der Elektronik um ein universelles Design bereichert, das es ermöglichte, jede vom Programmierer erdachte Aufgabe auszuführen.
Weniger als zwei Jahre später erschien ein weiterer, viel fortschrittlicherer und leistungsfähigerer Mikroprozessor – der Intel 8080. Die Revolution war nicht mehr aufzuhalten, in den folgenden Jahren begann der Prozessormarkt immer mehr zu wachsen, und der Wettbewerb zwischen Unternehmen wie Intel und AMD trug zu einem stetigen Anstieg der Rechenleistung bei. Die Prozessoren wuchsen nach dem Mooreschen Gesetz, es gab mehr Kerne, die Taktraten stiegen, und all dies ermöglichte die Entwicklung von immer komplexerer Software.
Die digitale Revolution, die durch die Entwicklung von Mikroprozessoren ausgelöst wurde, hat fast jeden Aspekt unseres Lebens verändert. Angefangen von der Industrie, wo mikroprozessorgesteuerte Computer die Produktion und das Management automatisiert haben, über den Telekommunikationssektor, wo die digitale Datenübertragung die Art und Weise, wie wir auf Distanz kommunizieren, revolutioniert hat, bis hin zu unserem täglichen Leben können wir ohne Zweifel sagen – Mikroprozessoren sind überall. Sie treiben unsere Smartphones, Autos und sogar Haushaltsgeräte an.
Eine digitale Notwendigkeit?
Die Entwicklung der digitalen Elektronik scheint selbstverständlich zu sein, aber haben Sie sich jemals gefragt, wie die Welt aussehen würde, wenn die Systeme noch immer auf analogen Signalen basieren würden, wie es in den Anfängen der Fall war? Versuchen Sie sich vorzustellen, dass es den Transistor nie gegeben hat und dass Computer riesige Maschinen sind, die ganze Gebäude einnehmen. Ein weiterer Aspekt ist auch das System, auf dem solche Geräte beruhen könnten. Könnten Röhrenkonstruktionen Informationen in einem anderen System als dem uns heute bekannten binären System verarbeiten? Interessanterweise gab es Computer, die mit dem Dezimalsystem arbeiteten und einer ihrer Vertreter könnte der bereits erwähnte ENIAC sein. Die Verarbeitung von Zahlen auf diese Weise scheint aus menschlicher Sicht natürlicher zu sein, und die analoge Elektronik ermöglichte es, auch andere Systeme zu bauen. Die Idee von Rechenmaschinen, die mit noch höheren Zahlensystemen arbeiten, scheint interessant zu sein, und man könnte die These wagen, dass sie effizienter wären als die heutigen Computer, basierend auf der bekannten Theorie, dass die menschliche Entwicklung viel schneller verlaufen würde, wenn sie auf einem System größer als dem Dezimalsystem basieren würde.
Wenn wir eine alternative Realität in Betracht ziehen, müssen wir auch die potenziellen Probleme erkennen. Eine Welt ohne digitale Technologie wäre wahrscheinlich viel weniger globalisiert und selbst wenn wir mehr Rechenleistung hätten, wäre sie nicht so weit verbreitet wie heute.
Wir können auch Konzepte in Betracht ziehen, die sich ohne die digitale Elektronik entwickelt hätten. Eines davon sind optische, auf Licht basierende Schaltkreise, die schon jetzt eine interessante Alternative zur klassischen Elektronik darstellen; wer sich für dieses Thema interessiert, sollte nach Informationen über photonische Chips suchen. Allerdings scheint dieser Technologiezweig nicht in der Lage zu sein, die Probleme der Miniaturisierung und der Produktionskosten zu bewältigen. Es lohnt sich auch, einen Blick auf das Konzept der ‘analogen Quantencomputer’ zu werfen, die in bestimmten Bereichen der Datenverarbeitung Anwendung finden könnten.
Obwohl digitale Chips die Welt der Technologie dominiert haben, gab es in den letzten Jahren neue Versuche, analoge Designs zu verwenden. Analoge Prozessoren mit ihrer Fähigkeit, kontinuierliche Signale zu verarbeiten, können bei einigen Anwendungen einen bisher ungeahnten Vorteil bieten, insbesondere wenn es auf Geschwindigkeit ankommt. Eines der vielversprechendsten Konzepte sind analoge neuronale Netze, die in Zukunft die künstliche Intelligenz und das maschinelle Lernen revolutionieren könnten. Herkömmliche digitale Prozessoren sind zwar leistungsstark, haben aber ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns zu simulieren. Analoge Ansätze können eine effizientere Verarbeitung bieten. Denken Sie auch an die Möglichkeit, analoge und digitale Technologien zu hybriden Systemen zu kombinieren. Dies könnte völlig neue Horizonte für die Optimierung der Informationsverarbeitung eröffnen.
Was auch immer wir sagen, die galoppierende Entwicklung der künstlichen Intelligenz wird Energie benötigen, und um es zu vereinfachen, ist Energie so viel, wie der neueste Nvidi-Chip bietet, und das ist eine Einschränkung, die vielen heute nicht bewusst ist. Wir verlassen uns auf digitale Signale, aber wer weiß, was die Zukunft bringen wird und ob wir tatsächlich am Vorabend der nächsten elektronischen Revolution stehen.
Źródła:
- https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC
- https://penntoday.upenn.edu/news/worlds-first-general-purpose-computer-turns-75
- https://www.maximus-randd.com/digital-circuit-blocks.html
- https://nl.wikipedia.org/wiki/PASCAL_(computer)
- https://en.wikipedia.org/wiki/Resistor–transistor_logic
- https://graemeing.medium.com/the-intel-4004-the-worlds-first-microprocessor-84e25269c797
- https://www.quera.com/glossary/analog-quantum-computing
- https://phys.org/news/2023-01-analog-quantum-previously-unsolvable-problems.html
- https://research.ibm.com/blog/analog-ai-chip-low-power
