Capítulo 4: La revolución de los semiconductores
La aparición de los semiconductores, en particular del transistor y posteriormente del circuito integrado, representa uno de los hitos más importantes en la historia de la tecnología de la información. Estos inventos no sólo mejoraron drásticamente el rendimiento y la confiabilidad de las computadoras, sino que también permitieron su difusión en nuevos campos y sentaron las bases para la posterior revolución de las computadoras personales.
4.1 La invención del transistor:
Un sustituto revolucionario de los tubos de vacío
Como vimos en el capítulo anterior, los primeros ordenadores se basaban en el uso de válvulas termoiónicas, dispositivos que, a pesar de haber permitido el cálculo electrónico, presentaban numerosos inconvenientes.
La búsqueda de alternativas más eficientes y fiables llevó, en diciembre de 1947, a la invención del transistor en Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley. Este evento marcó el comienzo de una nueva era en la electrónica.
Un transistor es un dispositivo semiconductor capaz de amplificar o conmutar señales electrónicas. A diferencia de los tubos de vacío, que funcionan en vacío, los transistores son dispositivos de estado sólido, hechos de materiales semiconductores como el silicio o el germanio, cuyas propiedades de conductividad eléctrica pueden controlarse variando el voltaje aplicado a un electrodo de control.
Los primeros transistores eran del tipo de unión bipolar (BJT), pero más tarde se generalizaron los transistores de efecto de campo (FET), que ofrecían ventajas adicionales en términos de consumo de energía y miniaturización.
La introducción del transistor trajo consigo una serie de ventajas cruciales sobre los tubos de vacío:
- Tamaño pequeño: Los transistores eran significativamente más pequeños y livianos que los tubos, lo que permitió la construcción de computadoras mucho más compactas.
- Menor consumo de energía: Los transistores requerían mucha menos energía para funcionar, lo que reduce los costos operativos y los problemas de disipación de calor.
- Menos generación de calor: Menos disipación de calor, mayor confiabilidad del circuito y sistemas de enfriamiento simplificados.
- Mayor confiabilidad y durabilidad: Los transistores eran mucho más robustos y tenían una vida útil significativamente más larga que los frágiles tubos de vacío.
- Menor costo: La producción de transistores era potencialmente menos costosa que la producción de válvulas, especialmente a gran escala.
- Velocidad de conmutación más rápida: Los transistores podían cambiar de estado (de encendido a apagado y viceversa) mucho más rápido que las válvulas, lo que permite computadoras más rápidas.
La invención del transistor le valió a Shockley, Bardeen y Brattain el Premio Nobel de Física en 1956, lo que demuestra su enorme importancia científica y tecnológica.
4.2 Las primeras computadoras a transistores:
Una nueva generación de máquinas
La adopción de transistores en el hardware de las computadoras no fue inmediata, pero gradualmente, a lo largo de la década de 1950 y principios de la de 1960, las computadoras basadas en transistores comenzaron a reemplazar a las basadas en tubos de vacío. Esta transición dio lugar a la llamada segunda generación de ordenadores .
Las computadoras de transistores ofrecían mejor rendimiento, mayor confiabilidad y ocupaban menos espacio que sus predecesoras basadas en tubos. Algunos ejemplos notables de computadoras con transistores incluyen:
- IBM 7090: Introducido en 1959, fue uno de los primeros mainframes de IBM en utilizar transistores. Era mucho más rápido y confiable que su predecesor basado en tubos, el IBM 704.
- DEC PDP-1: Lanzado en 1960 por Digital Equipment Corporation (DEC), el PDP-1 fue uno de los primeros miniordenadores exitosos.
- Su pequeño tamaño y su costo relativamente menor en comparación con las computadoras centrales lo hicieron accesible a un público más amplio, incluidos laboratorios de investigación y universidades.
- Atlas: Una computadora desarrollada conjuntamente por la Universidad de Manchester y Ferranti International en 1962, fue una de las primeras en utilizar memoria virtual, una técnica que permitía ejecutar programas más grandes que la memoria física disponible.
La transición a los transistores no fue solo un cambio tecnológico, sino que abrió nuevas posibilidades para la arquitectura de las computadoras y las aplicaciones que podían ejecutarse. La mayor fiabilidad de los transistores, por ejemplo, permitió construir sistemas más complejos y realizar cálculos más largos sin interrupciones frecuentes.
4.3 El desarrollo de circuitos integrados:
Miniaturización llevada al extremo
Si el transistor representó una revolución en el componente electrónico básico, el desarrollo del circuito integrado (CI) , también conocido como microchip, fue un avance adicional que llevó la miniaturización y el rendimiento de las computadoras a niveles sin precedentes. La idea fundamental detrás del circuito integrado era fabricar múltiples componentes electrónicos (como transistores, resistencias, condensadores) interconectados sobre un único sustrato de material semiconductor, típicamente silicio.
La invención del circuito integrado se atribuye de forma independiente a dos ingenieros:
- Jack Kilby: En Texas Instruments, en 1958, Kilby creó el primer circuito integrado funcional, demostrando la posibilidad de combinar múltiples componentes en un solo chip de germanio.
- Robert Noyce: En Fairchild Semiconductor, en 1959, Noyce desarrolló un circuito integrado basado en silicio, que ofrecía mayor confiabilidad y facilidad de producción que el germanio. El diseño de Noyce también incluía un método para interconectar componentes en el chip mediante un proceso de planarización, que resultó fundamental para la producción en masa.
Los primeros circuitos integrados contenían un número limitado de componentes (normalmente desde unos pocos hasta docenas) y entraban en la categoría de Integración a pequeña escala (SSI) . Sin embargo, incluso estos primeros chips demostraron los notables beneficios de la tecnología:
- Mayor reducción de tamaño y peso: La integración de múltiples componentes en un solo chip permitió construir circuitos electrónicos aún más compactos.
- Menor costo: La producción en masa de circuitos integrados prometía reducir significativamente el costo por componente.
- Mayor velocidad: Las señales eléctricas tenían que viajar distancias mucho más cortas dentro de un chip, reduciendo los retrasos y aumentando la velocidad de procesamiento.
- Mayor confiabilidad: La reducción del número de conexiones externas entre componentes disminuyó la probabilidad de falla.
- Menor consumo de energía: La integración en un solo chip permitió una mayor reducción del consumo de energía.
La introducción de los circuitos integrados marcó el inicio de la tercera generación de computadoras , caracterizada por una importante reducción de tamaño, un aumento del rendimiento y una mayor confiabilidad.
4.4 El impacto en las computadoras:
Hacia máquinas más potentes y accesibles
La llegada de los transistores y los circuitos integrados tuvo un impacto transformador en la industria informática:
- Reducción de tamaño: Las computadoras se hicieron progresivamente más pequeñas, pasando de las enormes salas ocupadas por mainframes a sistemas que podían caber en gabinetes o incluso en un escritorio.
- Mayor velocidad: La velocidad de conmutación más rápida de los transistores y las distancias más cortas dentro de los circuitos integrados permitieron a las computadoras tener capacidades informáticas cada vez mayores.
- Mayor confiabilidad: La eliminación de los frágiles tubos de vacío y la reducción en el número de conexiones externas llevaron a sistemas mucho más confiables y menos propensos a fallar.
- Reducción de costos: La producción en masa de transistores y circuitos integrados permitió reducir los costos de producción de las computadoras, haciéndolas potencialmente accesibles a un público más amplio.
Un resultado directo de la revolución de los semiconductores fue la aparición de la minicomputadora . Estas computadoras, como la DEC PDP-1 antes mencionada y los modelos posteriores de la serie PDP, eran más pequeñas, menos costosas y más fáciles de usar que las grandes computadoras centrales. Esto los hizo ideales para laboratorios de investigación, departamentos universitarios y pequeñas y medianas empresas, democratizando el acceso a la potencia informática.
4.5 Ley de Moore:
Una observación profética
En 1965, Gordon Moore, fundador de Fairchild Semiconductor y más tarde de Intel, publicó un artículo en el que señalaba que el número de transistores que podían integrarse en un circuito integrado se duplicaba aproximadamente cada año (posteriormente revisado a aproximadamente cada 18 a 24 meses). Esta observación, que pasó a conocerse como Ley de Moore , no era una ley física, sino más bien una predicción basada en las tendencias tecnológicas actuales.
Sorprendentemente, la Ley de Moore ha demostrado ser notablemente precisa durante varias décadas, impulsando la evolución de la industria de los semiconductores y conduciendo a un crecimiento exponencial de la potencia informática y reducciones continuas de los costos. El aumento de la densidad de transistores en los chips ha permitido integrar cada vez más funcionalidades en microprocesadores y memorias, impulsando la innovación en todos los campos de la informática.
La revolución de los semiconductores, con la invención del transistor y el desarrollo de los circuitos integrados, representa un punto de inflexión en la historia de la informática. Estas tecnologías permitieron superar las limitaciones de los sistemas basados en tubos de vacío, dando lugar a la creación de ordenadores más pequeños, más rápidos, más fiables y menos costosos. La aparición de las minicomputadoras fue una consecuencia directa de estos avances, lo que hizo que la potencia informática fuera accesible a un público más amplio. La Ley de Moore, con su predicción del crecimiento exponencial de la densidad de los transistores, impulsó la evolución del hardware durante muchos años. Estos avances sentaron las bases para la posterior explosión de la informática personal y las tecnologías digitales que impregnan nuestra vida diaria en la actualidad.