Kapitel 4: Die Halbleiterrevolution

Das Aufkommen der Halbleiter, insbesondere des Transistors und später des integrierten Schaltkreises, stellt einen der bedeutendsten Meilensteine in der Geschichte der Informationstechnologie dar. Diese Erfindungen verbesserten nicht nur die Leistung und Zuverlässigkeit von Computern erheblich, sondern ermöglichten auch deren Verbreitung in neue Bereiche und bereiteten den Grundstein für die anschließende PC-Revolution.

4.1 Die Erfindung des Transistors:
Ein revolutionärer Ersatz für Vakuumröhren

Wie wir im vorherigen Kapitel gesehen haben, basierten die ersten Computer auf der Verwendung von thermionischen Ventilen, Geräten, die zwar elektronische Berechnungen ermöglichten, aber zahlreiche Nachteile hatten.

Die Suche nach effizienteren und zuverlässigeren Alternativen führte im Dezember 1947 zur Erfindung des Transistors in den Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) durch John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley. Dieses Ereignis markierte den Beginn einer neuen Ära in der Elektronik.

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das elektronische Signale verstärken oder schalten kann. Im Gegensatz zu Vakuumröhren, die im Vakuum arbeiten, handelt es sich bei Transistoren um Festkörperbauelemente aus Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium, deren elektrische Leitfähigkeitseigenschaften durch Variation der an eine Steuerelektrode angelegten Spannung gesteuert werden können.

Die ersten Transistoren waren vom Bipolar-Junction-Typ (BJT), aber später Feldeffekttransistoren (FET) verbreiteten sich, was weitere Vorteile hinsichtlich Energieverbrauch und Miniaturisierung bot.

Die Einführung des Transistors brachte eine Reihe entscheidender Vorteile gegenüber Vakuumröhren mit sich:

Geringe Größe: Transistoren waren deutlich kleiner und leichter als Röhren, was den Bau wesentlich kompakterer Computer ermöglichte.
Geringerer Stromverbrauch: Transistoren benötigten viel weniger Strom für den Betrieb, was die Betriebskosten und Probleme bei der Wärmeableitung reduzierte.
Weniger Wärmeentwicklung: Weniger Wärmeableitung, erhöhte Schaltkreiszuverlässigkeit und vereinfachte Kühlsysteme.
Höhere Zuverlässigkeit und Haltbarkeit: Transistoren waren viel robuster und hatten eine deutlich längere Lebensdauer als zerbrechliche Vakuumröhren.
Niedrigere Kosten: Die Transistorproduktion war potenziell kostengünstiger als die Röhrenproduktion, insbesondere im großen Maßstab.
Schnellere Schaltgeschwindigkeit: Transistoren könnten den Zustand (von Ein zu Aus und umgekehrt) viel schneller wechseln als Ventile, was schnellere Computer ermöglicht.

Die Erfindung des Transistors brachte Shockley, Bardeen und Brattain 1956 den Nobelpreis für Physik ein, was seine enorme wissenschaftliche und technologische Bedeutung bezeugt.

4.2 Die ersten Transistorcomputer:
Eine neue Maschinengeneration

Die Einführung von Transistoren in Computerhardware erfolgte nicht unmittelbar, aber in den 1950er und frühen 1960er Jahren begannen nach und nach Transistor-basierte Computer die auf Vakuumröhren basierenden zu ersetzen. Dieser Übergang führte zur sogenannten zweiten Computergeneration .

Transistorcomputer boten eine bessere Leistung, größere Zuverlässigkeit und einen geringeren Platzbedarf als ihre röhrenbasierten Vorgänger. Einige bemerkenswerte Beispiele für Transistorcomputer sind:

IBM 7090: 1959 eingeführt, war es einer der ersten Großrechner von IBM, der Transistoren verwendete. Er war viel schneller und zuverlässiger als sein röhrenbasierter Vorgänger, der IBM 704.
DEC PDP-1: Der 1960 von Digital Equipment Corporation (DEC) auf den Markt gebrachte PDP-1 war einer der ersten erfolgreichen Minicomputer.
Aufgrund seiner geringen Größe und der relativ geringeren Kosten im Vergleich zu Großrechnern war es einem breiteren Publikum zugänglich, darunter Forschungslabors und Universitäten.
Atlas: Ein Computer, der 1962 gemeinsam von der University of Manchester und Ferranti International entwickelt wurde. Er war einer der ersten, der virtuellen Speicher nutzte, eine Technik, die es ermöglichte, dass Programme größer als der verfügbare physische Speicher ausgeführt werden konnten.

Der Übergang zu Transistoren war nicht nur ein technologischer Wandel, sondern eröffnete auch neue Möglichkeiten für die Computerarchitektur und die ausführbaren Anwendungen. Die höhere Zuverlässigkeit von Transistoren ermöglichte beispielsweise den Aufbau komplexerer Systeme und die Durchführung längerer Berechnungen ohne häufige Unterbrechungen.

4.3 Die Entwicklung integrierter Schaltkreise:
Miniaturisierung auf die Spitze getrieben

Wenn der Transistor eine Revolution in der grundlegenden elektronischen Komponente darstellte, war die Entwicklung des integrierten Schaltkreises (IC) , auch bekannt als Mikrochip, ein weiterer Durchbruch, der die Miniaturisierung und Leistung von Computern auf ein beispielloses Niveau brachte. Die Grundidee des integrierten Schaltkreises bestand darin, mehrere elektronische Komponenten (wie Transistoren, Widerstände, Kondensatoren) herzustellen, die auf einem einzigen Substrat aus Halbleitermaterial, typischerweise Silizium, miteinander verbunden sind.

Die Erfindung des integrierten Schaltkreises wird unabhängig voneinander zwei Ingenieuren zugeschrieben:

Jack Kilby: Bei Texas Instruments schuf Kilby 1958 den ersten funktionierenden integrierten Schaltkreis und demonstrierte damit die Möglichkeit, mehrere Komponenten auf einem einzigen Germanium-Chip zu kombinieren.
Robert Noyce: Bei Fairchild Semiconductor entwickelte Noyce 1959 einen integrierten Schaltkreis auf Siliziumbasis, der eine höhere Zuverlässigkeit und einfache Herstellung als Germanium bot. Noyces Design beinhaltete auch eine Methode zur Verbindung von Komponenten auf dem Chip über einen Planarisierungsprozess, der sich für die Massenproduktion als entscheidend erwies.

Die ersten integrierten Schaltkreise enthielten eine begrenzte Anzahl von Komponenten (typischerweise einige bis Dutzende) und fielen in die Kategorie der Small-Scale Integration (SSI) . Allerdings zeigten bereits diese frühen Chips die bemerkenswerten Vorteile der Technologie:

Weitere Reduzierung von Größe und Gewicht: Durch die Integration mehrerer Komponenten auf einem einzigen Chip konnten noch kompaktere elektronische Schaltkreise gebaut werden.
Niedrigere Kosten: Die Massenproduktion integrierter Schaltkreise versprach eine deutliche Reduzierung der Kosten pro Komponente.
Höhere Geschwindigkeit: Elektrische Signale mussten viel kürzere Distanzen innerhalb eines Chips zurücklegen, was Verzögerungen reduzierte und die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöhte.
Erhöhte Zuverlässigkeit: Die Reduzierung der Anzahl externer Verbindungen zwischen Komponenten verringerte die Ausfallwahrscheinlichkeit.
Geringerer Stromverbrauch: Die Integration auf einem einzigen Chip ermöglichte eine weitere Reduzierung des Stromverbrauchs.

Die Einführung integrierter Schaltkreise markierte den Beginn der dritten Computergeneration , die sich durch eine deutliche Reduzierung der Größe, eine Steigerung der Leistung und eine höhere Zuverlässigkeit auszeichnete.

4.4 Die Auswirkungen auf Computer:
Auf dem Weg zu leistungsfähigeren und zugänglicheren Maschinen

Das Aufkommen von Transistoren und integrierten Schaltkreisen hatte einen transformativen Einfluss auf die Computerindustrie:

Downsizing: Computer wurden zunehmend kleiner und verlagerten sich von den riesigen Räumen, die von Großrechnern eingenommen wurden, zu Systemen, die in Schränke oder sogar auf einen Schreibtisch passten.
Erhöhte Geschwindigkeit: Die schnellere Schaltgeschwindigkeit von Transistoren und kürzere Abstände innerhalb integrierter Schaltkreise ermöglichten Computern mit immer größeren Rechenkapazitäten.
Höhere Zuverlässigkeit: Der Wegfall empfindlicher Vakuumröhren und die Reduzierung der Anzahl externer Verbindungen führten zu Systemen, die wesentlich zuverlässiger und weniger störanfällig waren.
Kostensenkung: Die Massenproduktion von Transistoren und integrierten Schaltkreisen ermöglichte es, die Produktionskosten von Computern zu senken und sie möglicherweise einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.

Eine direkte Folge der Halbleiterrevolution war die Entstehung des Minicomputers . Diese Computer, wie der bereits erwähnte DEC PDP-1 und die nachfolgenden Modelle der PDP-Serie, waren kleiner, kostengünstiger und benutzerfreundlicher als große Großrechner. Dies machte sie ideal für Forschungslabore, Universitätsabteilungen sowie kleine und mittlere Unternehmen und demokratisierte den Zugang zu Rechenleistung.

4.5 Moores Gesetz:
Eine prophetische Beobachtung

Im Jahr 1965 veröffentlichte Gordon Moore, einer der Gründer von Fairchild Semiconductor und später von Intel, einen Artikel, in dem er feststellte, dass sich die Anzahl der Transistoren, die in einen integrierten Schaltkreis integriert werden konnten, etwa jedes Jahr verdoppelte (später wurde die Zahl auf etwa alle 18 bis 24 Monate angepasst). Diese Beobachtung, die als Mooresches Gesetz bekannt wurde, war kein physikalisches Gesetz, sondern eine Vorhersage, die auf aktuellen technologischen Trends basierte.

Bemerkenswerterweise hat sich Moores Gesetz über mehrere Jahrzehnte hinweg als bemerkenswert genau erwiesen, die Entwicklung der Halbleiterindustrie vorangetrieben und zu einem exponentiellen Wachstum der Rechenleistung und kontinuierlichen Kostensenkungen geführt. Die zunehmende Transistordichte auf Chips hat es ermöglicht, immer mehr Funktionen in Mikroprozessoren und Speicher zu integrieren und so Innovationen in allen Bereichen der Datenverarbeitung voranzutreiben.

Die Halbleiterrevolution mit der Erfindung des Transistors und der Entwicklung integrierter Schaltkreise stellt einen Wendepunkt in der Geschichte der Informatik dar. Diese Technologien ermöglichten es, die Einschränkungen von auf Vakuumröhren basierenden Systemen zu überwinden, was zur Entwicklung kleinerer, schnellerer, zuverlässigerer und kostengünstigerer Computer führte. Die Entstehung von Minicomputern war eine direkte Folge dieser Fortschritte und machte die Rechenleistung einem breiteren Publikum zugänglich. Das Mooresche Gesetz mit seiner Vorhersage eines exponentiellen Wachstums der Transistordichte trieb die Entwicklung der Hardware über viele Jahre hinweg voran. Diese Entwicklungen legten den Grundstein für die anschließende Explosion des Personal Computing und der digitalen Technologien, die heute unser tägliches Leben durchdringen.