Τσιπ—Το Σημερινό Ηλεκτρονικό Δομικό Υλικό

Η ΨΗΦΙΑΚΗ καφετιέρα που φτιάχνει το πρωινό σας ρόφημα, ο υπολογιστής τσέπης που σας γλιτώνει από πολύ γράψιμο, οι πολύχρωμες ενδείξεις στα ταμπλό των καινούριων αυτοκινήτων—όλ’ αυτά τα πράγματα έχουν κάτι κοινό: Η κατασκευή τους έχει γίνει δυνατή με τη χρήση λεπτών και επίπεδων τσιπ πυριτίου, που δεν είναι μεγαλύτερα από το νύχι του αντίχειρα ενός μωρού.

Αυτά τα τσιπ μπορείτε να τα βρείτε σε πολλά άλλα πράγματα που έχετε—σε ρολόγια, τηλεοράσεις, ραδιόφωνα, τηλέφωνα, οικιακές συσκευές και σε μερικά εργαλεία. Από τα συνηθισμένα καθημερινά πράγματα που χρησιμοποιούμε στο σπίτι μέχρι τις άκρως απόρρητες στρατιωτικές εφαρμογές, αυτό το μικροσκοπικό πολύτιμο ηλεκτρονικό θαύμα παίζει βασικό ρόλο στην αλλαγή του τρόπου με τον οποίο ζουν και εργάζονται οι άνθρωποι σ’ όλο τον κόσμο. Αλλά τι ακριβώς είναι το τσιπ πυριτίου; Πώς φτιάχτηκε; Και πώς κατάφερε να διεισδύσει στην καθημερινή σας ζωή;

Τι Είναι το Τσιπ;

Βασικά, το τσιπ πυριτίου αποτελεί συλλογή μικροσκοπικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Θα μπορούσατε να συγκρίνετε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα με μια πρόταση αυτού του άρθρου. Κάθε πρόταση αποτελείται από καθορισμένα στοιχεία, όπως τα ουσιαστικά, τα ρήματα και τα επίθετα. Τακτοποιώντας αυτά τα στοιχεία με διαφορετικούς τρόπους, μπορούν να συναρμολογηθούν προτάσεις, όπως δηλώσεις, ερωτήσεις, ακόμη και ποίηση. Και όταν συνδυαστούν προτάσεις με λογικό τρόπο, τότε προκύπτει η συνομιλία και η γραφή.

Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα μοιάζουν πολύ μ’ αυτό. Τακτοποιώντας καθορισμένα ηλεκτρονικά στοιχεία—τρανζίστορ, διόδους, αντιστάσεις και τα παρόμοια—με διαφορετικούς τρόπους, μπορούν να κατασκευαστούν ηλεκτρονικά κυκλώματα που εκτελούν πολλές λειτουργίες. Κατόπιν, μπορούν να συνδυαστούν χιλιάδες τέτοια κυκλώματα για να εκτελέσουν όλων των ειδών τις χρήσιμες ηλεκτρονικές διεργασίες. Τουλάχιστο στη θεωρία, έτσι έχουν τα πράγματα.

Εντούτοις, στην πράξη, η σύνδεση εκατοντάδων χιλιάδων ηλεκτρονικών στοιχείων αποτελεί τεράστιο έργο, για να μην αναφέρουμε το χώρο που καταλαμβάνουν αυτά τα στοιχεία. Αυτό ακριβώς ήταν το εμπόδιο που αντιμετώπισαν οι επιστήμονες στα τέλη της δεκαετίας του 1940, όταν κατασκεύαζαν την πρώτη γενιά των κομπιούτερ. Ένας τέτοιος κομπιούτερ, που βρισκόταν στη Φιλαδέλφεια και είναι γνωστός ως ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator [Ηλεκτρονικός Αριθμητικός Ολοκληρωτής και Υπολογιστής]), καταλάμβανε εμβαδό 140 τετραγωνικών μέτρων, ζύγιζε περίπου 27 τόνους και περιείχε περίπου 19.000 λυχνίες κενού! Για να λειτουργήσει αυτό το ‘τέρας’, χρειαζόταν τόση ενέργεια όση χρειάζονται 1.300 λαμπτήρες των 100 βατ. Το γεγονός ότι κατανάλωνε τόσο πολλή ενέργεια αποτέλεσε την αιτία για τη δημιουργία αστείων ιστοριών. Κάποιος ισχυρίστηκε ότι όταν άρχιζε να λειτουργεί, μειωνόταν η ένταση σ’ όλα τα φώτα της Δυτικής Φιλαδέλφειας.

Παρ’ όλο τον όγκο τους, η δυνατότητα του ENIAC και των ‘συγχρόνων’ του ήταν εντελώς ασήμαντη σε σύγκριση μ’ εκείνη των κομπιούτερ της σημερινής γενιάς. Ενώ ένας επιτραπέζιος κομπιούτερ μπορεί σήμερα να εκτελέσει εκατομμύρια λειτουργίες το δευτερόλεπτο, ο ENIAC αγωνιζόταν να κάνει περίπου 5.000 προσθέσεις ή 300 μόνο πολλαπλασιασμούς το δευτερόλεπτο. Κι ενώ οι σημερινοί κομπιούτερ, που κοστίζουν μόνο μερικές εκατοντάδες δολάρια, μπορεί να έχουν αρκετή εσωτερική μνήμη για την εναποθήκευση 100.000 ή και περισσότερων αριθμών, ο EDVAC, ένας άλλος γίγαντας εκείνης της πρώτης γενιάς, μπορούσε να εναποθηκεύσει μόνο 1.024 αριθμούς. Τι συνέβηκε κι έγιναν τόσο πολύ ισχυροί οι σημερινοί κομπιούτερ;

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, εμφανίστηκε στο προσκήνιο το μικρό και αποτελεσματικό τρανζίστορ. Τελικά, οι επιστήμονες των κομπιούτερ μπόρεσαν να κάνουν πιο μικρά σε μέγεθος τα αργά και αδηφάγα σε ενέργεια ‘τέρατά’ τους. Ωστόσο, επρόκειτο να σημειωθεί κι άλλη πρόοδος για να μπορέσουν να κατασκευαστούν οι σημερινοί κομπιούτερ. Αυτή η πρόοδος θα ερχόταν από τον κόσμο της φωτογραφίας.

Η Σμίκρυνση και το Τσιπ

Όπως μπορεί να ξέρετε, με τη χρήση του κατάλληλου εξοπλισμού, μπορεί κανείς να μεγεθύνει ή να σμικρύνει τις φωτογραφίες για να ταιριάζουν στις ανάγκες του. Στα πρόσφατα χρόνια, αναπτύχθηκε μια τεχνική που επιτρέπει στους μηχανικούς των κομπιούτερ να σμικρύνουν με τη φωτογραφική μέθοδο μεγάλα σχέδια κυκλωμάτων των κομπιούτερ, κάνοντάς τα μικροσκοπικά. Αυτά τα σχέδια μπορεί να είναι τόσο περίπλοκα όσο και το ρυμοτομικό σχέδιο μιας μεγάλης πόλης, αλλά όταν σμικρυνθούν χωράνε σ’ ένα τσιπ που είναι μικρότερο από φακό επαφής. Αυτές οι φωτογραφίες δεν γίνονται σε κανονικό φωτογραφικό χαρτί, αλλά σε λεπτές φέτες καθαρού πυριτίου, το οποίο είναι ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία της γης και βρίσκεται στη συνηθισμένη άμμο.

Το πυρίτιο το προτιμούν για την κατασκευή τσιπ, λόγω ορισμένων ιδιοτήτων που έχει. Για παράδειγμα, αν προσθέσει κανείς στο πυρίτιο διαφόρων ειδών χημικές ακαθαρσίες, τότε μπορεί να το κάνει να συμπεριφέρεται σαν αντίσταση, σαν πυκνωτής, ακόμη και σαν τρανζίστορ. Εισάγοντας λοιπόν αυτές τις ακαθαρσίες σε συγκεκριμένες περιοχές του τσιπ πυριτίου, είναι δυνατόν να αναπαραχθεί πάνω σ’ αυτό ένα ολόκληρο ηλεκτρονικό κύκλωμα.

Από λιωμένη και καθαρισμένη άμμο, φτιάχνονται κρύσταλλοι πυριτίου που να μοιάζουν με μακριά μπαστούνια σαλάμι. Κατόπιν, αυτοί οι κρύσταλλοι κόβονται φέτες και τους γίνεται ειδική επένδυση. Πάνω σ’ αυτές τις φέτες χαράζονται, κατά διαδοχικά στρώματα, μικροσκοπικές εικόνες μεγάλων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Στα κατάλληλα σημεία προστίθενται χημικές ακαθαρσίες. Κι αυτά που βρίσκονται τελικά πάνω στα τσιπ δεν είναι απλώς φωτογραφίες, αλλά πραγματικά ηλεκτρονικά κυκλώματα που λειτουργούν, και τα οποία ονομάζονται ολοκληρωμένα κυκλώματα ή IC (integrated circuits) για συντομία.

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που κατασκευάζονταν στη δεκαετία του 1960 περιείχαν περίπου εκατό ηλεκτρονικά στοιχεία. Μ’ αυτόν τον τρόπο, οι μηχανικοί μπόρεσαν να κατασκευάσουν «μικρούς» κομπιούτερ, μεγέθους βαλίτσας, για εργαστήρια και άλλα ιδρύματα. Προς τα τέλη της δεκαετίας του 1970, κατασκευάστηκαν τσιπ LSI (large-scale-integration [ολοκλήρωσης μεγάλης κλίμακας]), που περιείχαν πάνω από εκατό χιλιάδες στοιχεία. Αυτά τα τσιπ είναι τόσο περίπλοκα ώστε ένα μόνο θα μπορούσε θεωρητικά να εκτελέσει τις λειτουργίες ενός ολόκληρου κομπιούτερ, όπως λόγου χάρη να ρυθμίζει τη λειτουργία ενός φούρνου μικροκυμάτων ή την κίνηση ενός αυτοκινήτου. Σήμερα, οι επιστήμονες των κομπιούτερ ασχολούνται με τσιπ VLSI (very large-scale-integration [ολοκλήρωσης πολύ μεγάλης κλίμακας]), που περιέχουν εκατομμύρια στοιχεία. Φανταστείτε να συμπυκνώσετε τα ρυμοτομικά σχέδια μιας τετράγωνης πόλης με πλευρά μήκους 1.600 χιλιομέτρων, που είναι δηλαδή διπλάσια σε μέγεθος από την Αλάσκα, σ’ ένα τετράγωνο τσιπ με πλευρά μήκους 0,6 εκατοστών!

Το Τσιπ κι Εσείς

Με τη χρήση του τσιπ δεν χρειάζεται πια πολύ από το κοπιαστικό κόλλημα και τη χειρωνακτική εργασία που θα απαιτούνταν για την κατασκευή περίπλοκων ηλεκτρονικών συσκευών. Αυτό κάνει το τελικό προϊόν φτηνότερο, πιο αξιόπιστο και μικρότερο. Η μαζική παραγωγή έχει μειώσει τόσο πολύ το κόστος των τσιπ που έχουν ειδικές δυνατότητες, όπως λόγου χάρη σύνθεση ήχου, ώστε αυτά χρησιμοποιούνται σήμερα σε όλα τα ήδη των προϊόντων.

Έτσι, αυτά τα τσιπ χρησιμοποιούνται παντού γύρω μας, σε παιχνίδια που μιμούνται την ανθρώπινη ομιλία, σε αυτόματες μηχανές πώλησης και σε αυτοκίνητα. Σε μερικές χώρες η «τηλεφωνήτρια» που σας λέει την ώρα ή σας δίνει κάποιο τηλεφωνικό αριθμό μπορεί να είναι από πυρίτιο! Τα καταναλωτικά προϊόντα, που χρησιμοποιούν τα τσιπ για να κατανοούν τις προφορικές εντολές σας, γίνονται κι αυτά δημοφιλή. Μερικά απ’ αυτά μπορεί να είναι απλά κόλπα, όμως άλλα θα μπορούσαν να προσφέρουν πολύτιμη βοήθεια σε ανάπηρα άτομα.

Έχει επίσης γίνει δυνατή η χρήση των τσιπ στον τομέα της βιομηχανίας και των επιχειρήσεων. Στα εργοστάσια, χρησιμοποιούνται για να ελέγχουν τα ρομπότ που μπορούν να αντικαταστήσουν τους ανθρώπους στις ανιαρές, επαναλαμβανόμενες ή επικίνδυνες δουλειές. Έχουν ήδη αρχίσει να μπαίνουν για τα καλά στην αυτοκινητοβιομηχανία, κάνοντας δουλειές όπως το κόλλημα και το βάψιμο. Στα γραφεία, οι γραφομηχανές αντικαθίστανται γρήγορα από ηλεκτρονικούς επεξεργαστές κειμένου, οι οποίοι ελέγχουν την ορθογραφία σας, σας επιτρέπουν να κάνετε αλλαγές χωρίς να δακτυλογραφήσετε πάλι ολόκληρο το κείμενο, μπορούν δε ακόμη και να τυπώνουν αυτόματα ταχυδρομικές ετικέτες. Βέβαια, αυτό έχει και μειονεκτήματα μερικές φορές. Οι υπάλληλοι γραφείου μπορεί να απαλλάσσονται από τη μονότονη ρουτίνα τους, αλλά, αντί γι’ αυτό, μένουν ολοένα και περισσότερο κολλημένοι στην οθόνη του κομπιούτερ.

Από την άλλη μεριά, τα τσιπ πυριτίου έχουν συμβάλει αξιοσημείωτα στην επανάσταση της τεχνολογίας των επικοινωνιών, που λαβαίνει χώρα σ’ αυτή τη γενιά. Το περιοδικό που διαβάζετε αυτή τη στιγμή γράφτηκε σε οθόνες κομπιούτερ, στοιχειοθετήθηκε με κομπιούτερ, και τυπώθηκε με τη βοήθεια κομπιούτερ. Μάλιστα μέσω του μοναδικού συστήματος MEPS (Multilanguage Electronic Phototypesetting System [Πολυγλωσσικού Ηλεκτρονικού Φωτοστοιχειοθετικού Συστήματος]) που έχει και χρησιμοποιεί για στοιχειοθέτηση και εκτύπωση με τη βοήθεια κομπιούτερ, η Εταιρία Σκοπιά πρωτοστατεί σ’ αυτή την πολυγλωσσική εφαρμογή του ολοένα και πιο κοινού, πολύτιμου και χρήσιμου ηλεκτρονικού δομικού υλικού—του τσιπ πυριτίου.