Piisiru – nykyajan elektroniikan rakennuskivi
DIGITAALINEN kahvinkeitin, joka suodattaa aamukahvisi, taskulaskin, joka säästää sinulta paljon kynänkäyttöä, moniväriset näytöt uusien autojen kojelaudassa – kaikilla näillä on yksi yhteinen piirre: vähän vauvan peukalonkynttä suurempien, ohuiden piisirujen käyttö on tehnyt ne mahdolliseksi.
Näitä siruja on myös monissa muissa tavaroissa, joita saatat omistaa – kelloissa, televisioissa, radioissa, puhelimissa, kodinkoneissa ja joissakin työkaluissa. Tavallisista, jokapäiväisistä, kotona käytettävistä laitteista huippusalaisiin sotilaallisiin sovellutuksiin saakka on tällä pikkuruisella elektroniikan ihmepalalla tärkeä osuus ihmisten elin- ja työtapojen muuttamisessa ympäri maailmaa. Mutta mikä oikein on piisiru? Mistä se on lähtöisin? Ja miten se on löytänyt tiensä jokapäiväiseen elämäämme?
Mikä on siru?
Piisiru on pohjimmiltaan pienoiskoossa oleva elektroninen kytkentä. Voisit verrata elektronista kytkentää tämän kirjoituksen lauseeseen. Jokainen lause koostuu sellaisista perusosista kuin substantiiveista, verbeistä ja adjektiiveista. Järjestelemällä näitä osia eri tavoin lauseet voidaan muotoilla lausunnoiksi, kysymyksiksi ja jopa runoiksi. Ja kun yhdistelemme lauseita johdonmukaisella tavalla, voimme keskustella ja kirjoittaa.
Elektroninen kytkentä on hyvin samankaltainen. Järjestelemällä tavallisia sähkökomponentteja – transistoreja, diodeja, vastuksia ja muita sellaisia – eri tavoin voidaan muodostaa elektroninen kytkentä, joka suorittaa monia toimintoja. Tuhansia tällaisia kytkentöjä voidaan sitten yhdistää suorittamaan kaikenlaisia hyödyllisiä sähköisiä tapahtumasarjoja. Näin se käy, ainakin teoriassa.
Käytännössä on kuitenkin suunnaton tehtävä liittää yhteen satojatuhansia sähkökomponentteja, niiden viemästä tilasta puhumattakaan. Tämä oli täsmälleen se este, johon tiedemiehet törmäsivät 1940-luvun lopulla kootessaan ensimmäisen sukupolven tietokoneita. Yksi sellainen Philadelphiassa ollut tietokone, nimeltään ENIAC, vei 140 neliömetriä lattiapinta-alaa, painoi noin 30 tonnia ja sisälsi noin 19000 elektroniputkea! Tämä hirviö vaati toimiakseen yhtä paljon energiaa kuin 1300 100-wattista hehkulamppua. Sen sähkönkulutus antoi aihetta huvittaville tarinoille. Eräs niistä väitti, että kun tietokone käynnistettiin, kaikki Länsi-Philadelphian valot himmenivät.
Suuresta koostaan huolimatta ENIAC:n ja vastaavien laitteiden tehokkuus oli täysin mitätön verrattuna tietokoneiden nykyisen sukupolven tehoon. Kun pöytätietokone voi nykyään suorittaa miljoonia laskutoimituksia sekunnissa, ENIAC suoriutui vaivalloisesti noin 5000 yhteenlaskusta tai vain 300 kertolaskusta sekunnissa. Ja kun nykyään vain muutamia tuhansia markkoja maksavien tietokoneiden sisäisessä muistissa saattaa olla riittävästi tilaa 100000 numerolle tai useammallekin, oli EDVAC:lla, toisella varhaisella jättiläisellä, muistitilaa vain 1024 merkille. Mitä sellaista tapahtui, joka teki nykypäivän tietokoneista niin paljon tehokkaampia?
1960-luvun alussa tuli näyttämölle pieni ja tehokas transistori. Vihdoin oli tietokoneiden suunnittelijoille mahdollista pienentää näiden hitaiden, virtaa tuhlaavien hirviöiden kokoa. Kuitenkin vielä toisen edistysaskeleen oli määrä tapahtua ennen kuin nykyaikaisia tietokoneita voitiin rakentaa. Se tuli valokuvauksen maailmasta.
Pienentäminen ja siru
Kuten saatat tietää, oikeita laitteita käyttämällä valokuvia voidaan suurentaa ja pienentää kunkin tarpeiden mukaisesti. Viime vuosina on kehitetty menetelmä, jonka avulla tietokoneinsinöörit voivat valokuvaamalla pienentää suuret kuvat tietokoneiden elektronisista piireistä pienen pieneen kokoon. Nämä piirustukset voivat olla yhtä monimutkaisia kuin suurkaupungin kartta katuineen, mutta pienennettynä ne sopivat sirulle, joka on pienempi kuin piilolasi. Valokuvia ei tehdä tavalliselle valokuvauspaperille vaan puhtaasta piistä oleville kiekoille. Pii on yleisimpiä alkuaineita maan päällä; sitä löytyy tavallisesta hiekastakin.
Tiettyjen ominaisuuksiensa vuoksi pii on suosittu raaka-aine sirun valmistuksessa. Esimerkiksi lisäämällä siihen erityyppisiä kemiallisia epäpuhtauksia se voidaan saada käyttäytymään kuin vastus, kondensaattori ja jopa transistori. Niinpä istuttamalla yksittäisen piisirun nimenomaisille alueille näitä epäpuhtauksia on mahdollista jäljentää siihen kokonainen mikropiiri.
Sulatetusta ja puhdistetusta hiekasta kasvatetaan piikiteitä, kunnes ne lopulta muistuttavat pitkiä makkarapötköjä. Sitten yksikiteiset tangot leikataan ohuiksi levyiksi, jotka päällystetään erikseen. Monimutkaisten mikropiirien pikkuruiset kuvat syövytetään piikiekoille päällekkäisiksi kerroksiksi. Kemiallisia epäpuhtauksia lisätään sopiviin kohtiin. Ja lopulta siruilla ei ole vain kuvia, vaan todellisia, toimivia mikropiirejä, joita kutsutaan myös integroiduiksi piireiksi tai lyhyemmin IC-piireiksi.
1960-luvulla tehdyt integroidut piirit sisälsivät noin 100 sähköistä komponenttia. Tämän ansiosta insinöörit pystyivät rakentamaan matkalaukun kokoisia ”pieniä” tietokoneita laboratorioita ja muita laitoksia varten. 1970-luvun lopulla tehtiin LSI (suurimittainen integrointi) -siruja, joissa on yli 100000 komponenttia. Nämä sirut ovat niin monimutkaisia, että jo yksi siru voisi teoreettisesti suoriutua kokonaisen tietokoneen toiminnoista, kuten esimerkiksi ohjata mikroaaltouunin tai auton toimintoja. Nykyään tietokonetiedemiehet puhuvat VLSI (erittäin suurimittainen integrointi) -siruista, jotka sisältävät miljoonia komponentteja. Kuvittelehan ahtavasi puoli senttiä kanttiinsa olevalle palaselle yli 1500 kilometriä kanttiinsa olevan Pohjoismaita suuremman kaupungin osoitekarttaa!
Siru ja sinä
Sirun käyttö poistaa paljon siitä ikävästä juotos- ja käsityöstä, jota tarvittaisiin mutkikkaiden sähköisten laitteiden tehdasvalmistuksessa. Tämän ansiosta lopputuote on halvempi, luotettavampi ja pienempi. Massatuotanto on vähentänyt niin voimakkaasti erityisominaisuuksin varustettujen sirujen, kuten äänenmuodostuksessa käytettävien sirujen, kustannuksia, että niitä käytetään nykyään kaikenlaisissa tuotteissa.
Niinpä havaitsemme näitä siruja käytettävän kaikkialla ympärillämme: puhuvissa peleissä, myyntiautomaateissa ja autoissa. Joissakin maissa puhelinpalvelun ”Neiti Aika” saattaa olla tehty piistä. Kulutustavarat, joissa käytetään siruja vastaanottamaan sinun puhumasi käskyt, ovat myös tulossa muotiin. Jotkin näistä saattavat olla vain nokkelia laitteita, mutta toiset voisivat tarjota kipeästi kaivattua apua invalideille.
Siruja on käytetty hyväksi myös teollisuus- ja liikemaailmassa. Tehtaissa niitä käytetään ohjaamaan robotteja, jotka voivat korvata ihmiset ikävystyttävissä, toistuvissa tai vaarallisissa työtehtävissä. Ne ovat jo tehneet suuria aluevaltauksia autojen tehdastuotannossa esimerkiksi hitsaus- ja maalaustöissä. Toimistoissa kirjoituskoneita ollaan nopeasti korvaamassa sähköisillä tekstinkäsittelylaitteilla, jotka tarkistavat oikeinkirjoituksen, joiden ansiosta voit tehdä muutoksia tekstiin kirjoittamatta uudelleen koko asiakirjaa ja jotka kirjoittavat jopa postitusosoitteet automaattisesti. Tämä on kuitenkin joskus kyseenalainen siunaus. Toimistotyöntekijät saattavat vapautua siitä raadannasta, jonka jokapäiväiset toimistotehtävät tuovat, mutta he ovat sen sijaan lisääntyvässä määrin sidoksissa tietokoneen kuvaruutuun.
Toisaalta piisirut ovat olleet huomattavasti edistämässä tietoliikennetekniikan vallankumousta, jonka tämä sukupolvi on nähnyt. Parhaillaan lukemasi lehti kirjoitettiin tietokonepäätteille ja ladottiin tietokoneilla. Tietokoneavusteista latomista ja painamista varten valmistamansa ainutlaatuisen MEPS-järjestelmän (monikielisen sähköisen valoladontajärjestelmän) välityksellä Vartiotorni-seura on todellakin uranuurtaja käyttäessään tätä yhä yleistyvän, arvokkaan ja hyödyllisen sähköisen rakennuspalikan – piisirun – monikielistä sovellutusta.