מהפכת הטרנזיסטורים

מחשבים מודרניים מסוגלים לבצע מגוון כמעט אינסופי של פעולות במהירות וביעילות. אחד הגורמים העיקריים לכך הוא רכיב הכרחי אחד שהתפתח באמצע המאה ה-20: הטרנזיסטור.

בבסיסם, מחשבים הם פשוט מכונות שמסוגלות לבצע פעולות על מספרים, בדומה לחשבונייה ידנית, או למכונות חיבור וחיסור אנלוגיות. אך המחשב נבדל מהן בכך שאת המספרים מייצגים מתחים חשמליים, במקום חרוזים או זיזים בגלגלי שיניים.

כל מספר במחשב מיוצג בבסיס בינארי כרצף של ספרות 0 (מתח נמוך) ו-1 (מתח גבוה יותר), והמחשב "מעביר" אותם בשערים לוגיים – מערך של רכיבים אלקטרוניים שמבצע פעולות של איחוד ("או"), חיתוך ("וגם") או שלילה על הזרמים המועברים דרכו.

במחשבים האלקטרוניים הראשונים השערים הלוגיים מומשו על ידי שפופרות ריק – דיודות וטריודות שמסוגלות לשנות את הזרם העובר דרכן ומשמשות לכן כמעין מפסקים אלקטרוניים. אך השפופרות הללו היו גדולות והן נטו להתחמם, להישבר ולהתקלקל, ולכן המחשבים הראשונים תפסו לא פעם חדרים שלמים ודרשו מערכות קירור יקרות ותחזוקה שוטפת. במצב הזה היה קשה לבנות מחשבים מורכבים לשימוש יומיומי.

מכונת חישוב מכנית - האב הקדמון של המחשב. בהמשך מתחים חשמליים החליפו את החלקים המכניים. מקור: ויקיפדיה

מהפכת הסיליקון

המהפכה הגדולה באה עם המצאת הטרנזיסטור: רכיב אלקטרוני הבנוי מחומר מוליך-למחצה, כלומר חומר שמשנה את תכונת המוליכות שלו בהתאם לגורמים חיצונים. אחד החומרים הנפוצים ביותר להרכבת טרנזיסטורים הוא סיליקון (צורן). על ידי שינויים זעירים בהרכב (אילוח) אפשר לייצר שני סוגים שונים של אותו חומר, המסומנים באותיות P ו-N. כשמצמידים מקטעים מסוגים שונים נוצר צומת PN, שפועל כמו דיודה, אבל הרבה יותר קטן משפופרות הריק הישנות. אם נצמיד שלושה רכיבים בתצורת PNP או NPN נקבל שני סוגים בסיסיים של טרנזיסטורים.

לטרנזיסטור טיפוסי יש שלושה מגעים (הדקים) – קולט, בסיס ופולט. הזרם העובר בין הקולט לפולט תלוי בזרם המוזן לבסיס שביניהם. כך, על ידי חיבור ושרשור של טרנזיסטורים מסוגים שונים, אפשר לממש את שלושת השערים הלוגיים הבסיסיים, ובעזרתם לבצע כל חישוב שרוצים.

היתרונות המרכזיים של הטרנזיסטור על פני שפופרת הריק הם הגודל, עלות הייצור הנמוכה והעובדה שלא צריך לחמם אותו כדי לבצע את הפעולה. ההבדלים האלה דרמטיים עד כדי כך שכיום נהוג להדפיס על גבי מעגל בודד (שבב) מיליוני טרנזיסטורים, שגודלם המשותף אינו עולה על סנטימטר אחד וכוח החישוב שלהם עולה בהפרש עצום על זה של המחשבים הראשונים בעלי שפופרות הריק.

אתגר השיפור המתמיד

חוק מור המפורסם קובע כי בכל שנתיים צפיפות הטרנזיסטורים במעגלים מודפסים מוכפלת בלי עלייה במחירם. עם זאת, מסתמן שכיום הטכנולוגיה הולכת ומתקרבת לקצה גבול היכולת, שכן הטרנזיסטורים החדשים קטנים (14-7 ננומטר) עד כדי כך שקשה מאוד לעבד ולהדפיס אותם. כדי שנוכל להמשיך ולשפר את יכולות החישוב מפתחים כיום טרנזיסטורים תלת-ממדיים, שהארכיטקטורה שלהם מאפשרת להם לבצע פעולות רבות יותר מ טרנזיסטורים דו-מימדיים בגודל דומה.

כיוון נוסף ומהפכני הרבה יותר שנחקר כיום הוא המחשב הקוונטי. בחישוב קוונטי כל יחידת מידע אינה רק 0 או 1, אלא יכולה לקבל כל ערך ביניהם, ולכן אפשר לכאורה לבצע מגוון הרבה יותר רחב של פעולות על כל מספר. עם זאת, עד כה לא נמצא עדיין פתרון טכנולוגי יעיל שיאפשר ליישם בפועל את הרעיונות התיאורטיים הקיימים בנושא וליצור יורש ראוי לטרנזיסטור, כפי שהטרנזיסטור החליף את שפופרת הריק.

איך פועל הטרנזיסטור. הרצאה מתוך TedEd