Så blev halvledarna vår tids viktigaste byggstenar

Samtidigt som bristen på halvledare skapar stora problem inom elektronikindustrin fyller en av dess viktigaste tillämpningar – mikroprocessorn – 50 år.

Under det senaste året har den akuta bristen på halvledare orsakat störningar för företag världen över, med betydande konsekvenser för världsekonomin. Nyligen meddelade till exempel biltillverkaren Stellantis att de kommer tillverka 1,4 miljoner färre bilar än planerat under 2021 – till stor del på grund av komponentbrist. Vad värre är: problemen lär fortsätta nästa år, kanske även under 2023. De pandemirelaterade produktionshindren i Asien har spridit sig som ringar på vattnet och avslöjat hur beroende många branscher är av dessa komponenter. 

De tämligen anonyma halvledarna framstår som de kanske enskilt viktigaste byggstenarna i 2000-talets industrisamhälle, men det ska genast påpekas att det egentligen inte rör sig om någon råvarubrist. Halvledare tillverkas vanligtvis av kisel, som är jordskorpans näst vanligaste ämne och återfinns i allt från gnejs och granit till vanlig sand. Det är istället de högteknologiska komponenter som tillverkas av kisel och andra halvledarmaterial som de råder brist på. Den vanligaste av dessa är datorchipet. 

För ganska precis 50 år sedan, den 15 november 1971, lanserades världens första mikroprocessor för den kommersiella marknaden av företaget Intel i USA. Chipet tilldrog sig visserligen ingen större uppmärksamhet vid produktlanseringen, men skulle snart revolutionera den framväxande datorindustrin. Intels mikroprocessor var inte större än en fingernagel, men lika kraftfull som den första elektroniska datorn ENIAC från 1946, som hade vägt 30 ton och upptagit ett helt rum. Hur var denna utveckling möjlig?

Svaret stavas halvledare, som idag återfinns i allt från bilar till hörlurar och klockor. Så har det dock inte alltid varit. En av de första elektroniska apparater som tog plats i människors hem var radion. För att ta emot och omvandla radiovågor till ljud använde de till en början kristallmottagare och elektronrör för att fånga upp och förstärka radiosignaler. Elektronrören, som för ett otränat öga såg ut som små glödlampor, var dock stora, dyra och utvecklade mycket värme.

Innandömet av en gammal radio: elektronrören (vakuumtuberna) syns längst upp i bild. Foto: Wikipedia/ National Institute of Standards and Technology.

När John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley från företaget Bell Laboratories i USA 1948 presenterade en ny uppfinning – transistorn – hade de i ett slag löst flera av dessa problem. Deras uppfinning, som belönades med Nobelpriset i fysik redan 1956, var en halvledarkomponent som skulle komma att revolutionera elektronikindustrin. Transistorradion var betydligt mindre än sina föregångare och blev för många den första kontakten med den nya innovationen, men störst betydelse skulle halvledartekniken få inom den framväxande datorindustrin.

John BardeenWilliam Shockley och Walter Brattain vid företaget Bell Labs, 1948. Foto: Wikipedia.

De allra första elektroniska datorerna, som byggdes strax efter andra världskriget, använde sig av elektronrör. För att kunna genomföra komplicerade matematiska beräkningar krävdes mängder av sådana komponenter med följden att de tidiga datorerna inte bara var enormt stora, utan också krävde mängder av ström och var känsliga för störningar. Med hjälp av den nya transistortekniken förändrades förutsättningarna. I likhet med elektronröret kunde transistorn enkelt uttryckt reglera strömflödet i en starkare ström med hjälp av en svag ström. Skillnaden var att transistorn bestod av en fast bricka av ett så kallat halvledarmaterial, till en början germanium men senare kisel, med elektriska anslutningar. 

Från att ha upptagit hela rum krympte datorerna nu till skåpstorlek och kallades därför minidatorer. Vid denna tid utvecklades också den integrerade kretsen, där flera transistorer sammanfördes på en och samma halvledarbricka. Chipet var fött. 

Utvecklingen av halvledartekniken och integrerade kretsar gick mycket snabbt under 1960-talet, och 1968 bildades det amerikanska företaget Intel. Liksom flera andra företag inom halvledarindustrin förlade de sitt huvudkontor till Santa Clara County söder om San Francisco i Kalifornien, och eftersom materialet i de nya datorkomponenterna utgjordes av kisel (på engelska silicon), blev området känt som Silicon Valley. Hösten 1971 presenterade företaget sin första datorprocessor byggd på en integrerad krets. Eftersom den var betydligt mindre än de tidigare minidatorerna kom den att kallas mikroprocessor, och den gick under det något anonyma produktnamnet 4004.

Intels processor 4004 i närbild.

Till en början såldes 4004 till en japansk tillverkare av räknemaskiner, men mikroprocessorn fick snart viktigare tillämpningar. Från och med nu blev det möjligt att bygga datorer som var tillräckligt små – och på sikt tillräckligt billiga – för att ta plats i människors hem. 

En av Intels grundare, Gordon Moore, hade tidigt insett att utvecklingen av halvledare skulle fortsätta i rasande fart. Han observerade redan 1965 att antalet transistorer som kunde integreras på en enskild krets hade fördubblats vartannat år och förutsåg att denna utveckling skulle fortsätta i åtminstone ett årtionde till. Iakttagelsen visade sig dock giltig under betydligt längre tid än så, och blev med tiden känd som Moores lag. I början av 1980-talet lanserade Intel processorn 286 som inrymde hisnande 100 000 transistorer, och vid millennieskiftet hade företagets Pentium-processorer passerat barriären 10 miljoner transistorer. Idag är siffran många miljarder.

Bakom denna häpnadsväckande utveckling låg stora satsningar på forskning och utveckling, liksom ständigt förfinade produktionsprocesser. Halvledarkomponenter visade sig nämligen idealiska för automatiserad, högteknologisk produktion där ett av jordskorpans vanligaste grundämnen – kisel – låg till grund för till avancerad elektronisk utrustning. Förutsättningarna för denna dramatiska utveckling var att produktionen hela tiden kunde skalas upp och förbättras. Att tillverka dagens integrerade kretsar för hand hade varit fysiskt omöjligt med tanke på att komponenternas delar mäts i nanometer, men de hundratals eller tusentals moment som krävs för att färdigställa ett enda chip hade ocskå tagit enormt lång tid att utföra. 

Den boll som sattes i rullning ledde inte bara till mer avancerade datorer, utan också mindre och strömsnålare komponenter som kunde placeras i nästan vilken utrustning som helst. Idag styr därför transistorer och andra halvledarkomponenter all tänkbar utrustning – och påverkar därmed våra liv i allt större utsträckning. En vanlig bil innehåller till exempel inte mindre än 1 500 datorchip. Utvecklingen av halvledare binder samman världen genom alltmer avancerade och automatiserade kommunikationssystem. Men eftersom det krävs extremt komplexa produktionsprocesser för att tillverka det digitala samhällets nya basvaror blir systemet också mycket sårbart för störningar. När tillgången på dessa byggstenar plötsligt begränsas fortplantar sig problemen genom samhället. Till slut kan basala funktioner som sjukvård, utbildning och nationell säkerhet bli lidande.

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com-logga

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut /  Ändra )

Google-foto

Du kommenterar med ditt Google-konto. Logga ut /  Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut /  Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut /  Ändra )

Ansluter till %s