Computer groeit
almaar kleiner
Micro
processor
luidt
nieuw
tijdperk
in
Van masker
tot IC-chip
Een boeiende serie over de
onbekende, onbegrepen,
angstaanjagende ontwikke
ling van de "chip"
Met verhalen van
Klaas Goïnga, Theo Leoné,
Jef Lousberg en Henk Volmer.
DEN HAAG Je ziet in ons land nog maar
zelden kinderen rekenen met behulp van
het al vele eeuwen voor Christus in China
bekende telraam. Zij doen dat tegenwoordig
steeds meer met de nog geen tien jaren
geleden ontwikkelde zakrekenmachine. Dit
apparaatje verwerkt, evenals andere
computers, vrijwel zonder tussenkomst van
de gebruiker (automatisch) elektronisch
gegevens (informatie). Het is bovendien een
goed voorbeeld van het streven naar steeds
kleinere, meer ingewikkelde en toch
goedkopere rekenautomaten.
Uil plakken silicium (boven) worden schiiljes met geïntegreerde schakelingen (IC-chips) gemaakt. Elke chip wordt op een houder gemonteerd. Afhankelijk van de schakeling wordt de IC-
chip in verschillende produkten toegepast.
"•VV".-
A iW&v**
)u fcuuuipin üyvutai i;inSn&iA0 wmm
In de komende tien jaren wordt de zoge
noemde single-chip-computer verwacht.
Dat is een veelzijdig, volledig rekentuig
met een enorm arbeidsvermogen, zetelend
in één schijfje (chip) silicium (ofwel zand)
van slechts vijftig vierkante millimeter en
zeer laag in prijs. Voor zeer eenvoudige
toepassingen bestaan er trouwens al één-
chip-microcomputers.
Een computer gebruikt doorgaans in
plaats van het tientallig stelsel (nul tot en
met negen) het tweetallig stelsel (alleen de
nul en de één). Dit binaire systeem is na
melijk gemakkelijk elektrisch te vertalen.
De één komt overeen met een openstaan
de, stroom doorlatende ofwel geleidende
schakelaar. De nul met eén dichtstaande,
stroom blokkerende en ofwel niet-gelei-
dende schakelaar.
Alle cijfers, letters, andere leestekens en
samenstellingen daarvan kunnen, eenmaal
vertaald in het tweetallig stelsel, worden
vastgelegd in een geheugen in en buiten
de computer. Het getal ,,6" in het decima
le systeem, bijvoorbeeld, wordt in binaire
vertaling „0110" en de letter „d" wordt
„110100".
Eerste generatie
De informatie die zegt wat de computer
moet doen (instructies en gegevens) wordt
in een geheugen opgeslagen in de vorm
van een serie nullen en enen met een be
paalde lengte; een reeks binaire cijfers, of
wel bits. Een specifiek aantal bits vormt
een woord. Dé lengte van zo'n woord
hangt af van de wijze waarop de computer
is georganiseerd. Grote rekenautomaten
werken met woorden van 16, 32 of 64 bits,
minicomputers met 8, 12 of 16 bits en mi
crocomputers met 4, 8 of 16 bits.
Een van de eerste echte computers, de
Electronic Numerical Integrator and
Computer (ENIAC), kwam in 1946 in de
Verenigde Staten van Amerika gereed. De
ENIAC deed over een vermenigvuldiging
van twee getallen van tien cijfers 2,8
milliseconden. Deze dertig ton wegende
„stamvader" van de zogenoemde eerste
computergeneratie had een
stroomverbruik van 150 kW en nam een
aardig zaaltje in beslag. Alleen al de
centrale verwerkingseenheid, met zijn
werkgeheugen, besturings-, reken- en
beslissingsgedeelte had de omvang van
een grote kast.
De ENIAC bevatte voor de
versterkerfuncties 18.000 forse, maar kort
levende vacuümbuizen. De warmte, die
deze in 1907 uitgevonden „radiolampem"
uitstraalden, moest via schoorstenen
worden afgevoerd.
Tweede generatie
In 1947 werd in de VS ontdekt, dat een
plaatje monokristallijn silicium door het
inbrengen van vreemde atomen van
positief en negatief geladen gebiedjes kon
worden voorzien. (Silicium geleidt stroom
beter dan glas, maar niet zo goed als
metaal en heet daarom een halfgeleider).
Het elektron kon voortaan worden
beheerst in zeer goedkoop materiaal
(zand) in plaats van in een veel kosten
vergend vacuüm (luchtledige).
De transistor zag het licht en zou na 1955
de versterkerfunctie van de vacuümbuis
steeds meer gaan overnemen. De
transistor, die de tweede
computergeneratie opleverde, was
namelijk kleiner, lichter, betrouwbaarder
en gebruikte minder elektriciteit dan de
„radiobuis".
Derde generatie
Sinds 1958 werden overigens niet alleen
transistors met halfgeleidertechnieken
gemaakt, maar ook andere onderdelen
(componenten) zoals weerstanden en
condensatoren. Een jaar later leidde dat
tot de produktie van zogenoemde
geïntegreerde circuits, kortweg IC's.
Omvangrijke schakelingen, waarin vroeger
de verschillende onderdelen aan elkaar
moesten worden gesoldeerd, konden in
één enkel silicium-plaatje worden
uitgevoerd. De geboorte van de derde
computergeneratie was een feit. Een van
de nakomelingen werd de rekenautomaat
met bescheiden afmetingen voor beperkte
doeleinden: de minicomputer.
Intussen bleek, dat schakelingen met
grote „elektronische inhoud" alleen dan
voor een aanvaardbare prijs konden
worden gemaakt als het totale oppervlak
van elke afzonderlijke IC zo ingewikkeld en
klein mogelijk was en toch in massa kon
worden gefabriceerd. Daarbij komt nog de
wetenschap dat de snelheid waarmee de
schakelingen kunnen werken toeneemt als
de afmetingen van die schakelingen
afnemen.
Microprocessor
In 1968 slaagde men er In om in een chip
van minder dan een halve millimeter dikte
niet alleen naast maar ook ónder elkaar
allerlei onderdeeltjes onder te brengen.
Voorts waren toen al heel wat kleinere
computers voor speciale toepassingen
(minicomputers) gebouwd. Door de
vruchten van deze ontwikkelingen op het
niveau van componenten en systemen
bijeen te voegen lukte het Ted Hoff en
Frederico Faggin van het Amerikaanse
bedrijf Intel, tijdens een Japanse opdracht
voor zakrekenmachines, in 1971 met
onder meer 2.250 transistors in één chip
een centrale verwerkingseenheid te
bouwen met bijna dezelfde capaciteit als
die van de oude reus ENIAC. Bovendien
was deze eenheid, en dat was het
belangrijkste, in principe bruikbaar voor
elke denkbare manier van automatisering.
Er was namelijk een combinatie gemaakt
waarbij de functie van een schakeling
werd vastgelegd in het geheugen en de
uitvoering van die functie werd
gerealiseerd in een gestandaardiseerd
ontwerp. De microprocessor, zo werd zijn
naam, kon zijn stormachtige opmars
beginnen.
Microcomputer
Voorzien van communicatie-schijfjes om
met de buitenwereld te „praten" en van
geheugen-chips voor het vastleggen van
gegevens leidde de microprocessor tot de
microcompi/ter.
Door een invoereenheid (bijvoorbeeld een
toetsenbord), een uitvoereenheid
(bijvoorbeeld een beeldscherm) en
eventueel een extern geheugen
(bijvoorbeeld een magneetband) aan de
microcomputer te koppelen ontstond het
microcomputersysteem.
De oudere, maar nog niet verouderde,
minicomputer verwerkt met
onveranderbare geïntegreerde
schakelingen één bepaalde toepassing of
een serie kleinere toepassingen. De
microcomputer kan dat doen m'et zijn
veranderbare microprocessor.
Het grote verschil tussen de minicomputer
en de microcomputer is dat de eerste
werkt met geïntegreerde schakelingen die
niet of zeer moeilijk zijn te wijzigen en de
tweede met een microprocessor die
gemakkelijk veranderingen in
eigenschappen toelaat. Zonder dat er een
soldeerbout aan te pas komt kunnen aan
de microcomputer snel en goedkoop extra
functies worden toegevoegd door alleen
maar het besturingsgeheugen van een
andere programmering (set instructies) te
voorzien. Andere voordelen zijn onder
meer: een nog kleinere behuizing, lager
energieverbruik, minder kabels, stekers en
onderhoud, en nog grotere
betrouwbaarheid.
Silicon Valley
Het in 1968 gestichte Intel-bedrijf, dat
voor de eerste microprocessors zorgde,
ligt in een streek ten zuiden van San
Francisco in de Amerikaanse staat
Californië. Rondom de Stanforduniversiteit
aldaar is een gebied van een kleine
tweehonderd vierkante kilometer met ruim
veertig elektronische firma's waarvan vele,
die nu een miljoenenomzet hebben, zijn
begonnen in een garage of kleine loods.
Officieel heet dit centrum van de micro-
elektronica Santa Clara County, maar in
computerkringen wordt het Silicon Valley
(Zandvallei) genoemd.
Mede dank zij de nauwe contacten, de
enorme onderlinge concurrentie, een
goede financiële infrastructuur en
stimulering door de overheid, wisten de
vele ontwerpers in Silicon Valley steeds
betere en goedkopere microprocessors te
maken en daarmee een vooraanstaande
plaats in de elektronische industrie te
veroveren.
Dit i9 geen plattegrond van
een stad, maar een computer
op één schijfje silicium van
Intel uit 1976. De chip bevat
naast de centrale verwerkin
gseenheid (onregelmatige
structuur) ook geheugen
ruimte (regelmatige vakjes).
In werkelijkheid is deze nog
eenvoudige single-chip-mi-
crocomputer ongeveer zo
klein als dë nagel van een
pink.
Vooral dank zij de geïntegreerde
schakelingen (IC's) in schijfjes silicium
(chips) werd het mogelijk krachtige
„hartjes" (microprocessors) voor zeer
kleine en goedkope rekenautomaten
(microcomputers) te maken.
Een standaardmethode om IC-chips, met
hun tienduizenden transistors,
weerstanden en andere onderdelen en
•verbindingen te maken, is in het kort als
volgt.
Een gewenst patroon van tienduizenden
lijntjes wordt op grote schaal getekend
en overgebracht op een fotografische
plaat. Deze wordt sterk verkleind en
gekopieerd op een gemetalliseerde
glasplaat, het zogenoemde
moedermasker. Van het moedermasker
wordt een aantal kopieën gemaakt, de
werkmaskers die bij de fabricage
worden gebruikt.
Intussen is een ronde plak silicium
(wafer) met een middellijn van ongeveer
tien centimeter bedekt met een laag
8iliciumoxide en die weer met een
lichtgevoelige lak.
Door de vaak honderden, identieke
werkmaskers te belichten worden de
hierop aanwezige patronen op de laklaag
overgebracht. De belichte plaatsen op
deze laag ondergaan een scheikundige
verandering waardoor zij oplosbaar
worden en de onderliggende oxidelaag
vrijkomt. Vervolgens wordt in een etsbad
het blootliggende oxide opgelost. Nadat
de resterende lak is verwijderd, verkrijgt
men een siliciumplak met een oxidelaag
waarin putjes zijn geëtst volgens de
patronen van de maskers. De randen van
die putjes bestaan uit siliciumoxide, de
„bodems" uit silicium. In die „bodems"
worden vreemde atomen ingebracht. Het
proces wordt, telkens met andere
maskers, herhaald totdat de complete
IC's gereed zijn. Nadat de wafer in
stukjes van enkele vierkante millimeter
is gesneden, zijn vele honderden chips
met dezelfde geïntegreerde
schakelingen ontstaan. Elke chip wordt
op een houder gemonteerd en kan dan,
afhankelijk van de soort schakeling die
is gemaakt, specifieke functies
vervullen.
Het van het aantal schakelingen
afhankelijke vermogen van de
microprocessor neemt snel toe. De huidige
microcomputer kan zich al meten met de
minicomputer van zo'n vijf jaren geleden
en met de grote computer van de eerste
helft der zestiger jaren.
Men is nu al in staat 65.000 componenten;
in één chip te brengen. Verwacht wordt
dat uiteindelijk schijfjes silicium met 2,5
miljoen transistors per vierkante millimeter
kunnen worden vervaardigd.
De prijs van de microprocessor daalt
voortdurend; vooral door de massaler
wordende produktie van dit kleine wonder
der techniek. Kostte hij omstreeks 1974
gemiddeld 250 gulden, thans is hij
verkrijgbaar voor enkele tientjes. Voor
eenzelfde computervermogen moest
twintig jaren geleden ruim twee miljoen
gulden worden neergeteld.
Toepassingen
Naarmate de microcomputer meer kan
voor een lagere prijs wordt het steeds
aantrekkelijker menselijke en mechanische
arbeid te vervangen door elektronische
automaten.
Verwacht wordt, dat de toepassing van de
microcomputer in huishoudelijke
apparaten in de tachtiger jaren
stormachtig zal toenemen. Machines voor
de (af)was met microcomputers, die onder
meer het energie- en waterverbruik strak
in toom houden, zijn er al. Maar zij kosten
een paar lieve centen. Hetzelfde geldt voor
de door de microcomputer bestuurde
ijskast,.vrieskist, droogtrommel, centrale
verwarming, airconditioning,
huistelefooncentrale, alarminstallatie,
oven, radio, televisie, grammofoon,
taperecorder, koffiepot, deurbel,
naaimachine en gordijnensluiter.
Op de spelletjesmarkt lopen de zaken
gesmeerder. Televisiespelen zoals voetbal;
en tennis, tankslag, autocoureur, en
automaten die je telkens via verwisselbare'
cassettes programmeert voor een ander
spel. Ook speelgoed zonder televisie zoals
de schaakcomputer, het raket- en het
duikbootspel.
Personal computer
Verder zijn er bouwdozen voor hobbyisten
die zelf een microcomputersysteem willen
bouwen dat afgestemd is op hun
persoonlijke wensen. Het grote probleem
bij deze personal computer is evenals
bij microcomputers in het algemeen het
maken van de gewenste
programmeersystemen.
Het kenmerk van de personal computer,
die ook kant-en-klaar te koop is, is dat hij
bedoeld is voor gebruik op individuele
basis. Een architect kan hem aanwenden
voor zijn ontwerpen, een arts voor zijn
patiëntenbestand, een scholier voor zijn
aardrijkskunde en ouders voor hun
huishoudelijke administratie (home
computer).
Er zijn ook al met microcomputers
uitgeruste auto's die alleen al door een
elektronisch bestuurde ontsteking tien
procent minder benzine verbruiken.
Verder automatische lasmachines,
draaibanken en allerlei automatische
meet-, test- en regelapparatuur.
In ondernemingen wordt 6teeds meer
tekst (administratie, brieven, rapporten,
nieuwsberichten en dergelijke)
elektronisch geschreven, verwerkt en
bewaard al dan niet met behulp van
beeldschermen.
Ook zijn er al programmeerbare
zakrekenmachines die kunnen worden
uitgerust met randapparatuur,
bijvoorbeeld met een drukmachientje
(printer) en elektronische polshorloges, die
naast de functies van
(verjaardags)kalender, stopwatch en
wekker die van een rekenmachine kennen
Het staat als een paal boven water, dat de
toepassing van microcomputers
ingrijpende maatschappelijke gevolgen za
hebben. Jongeren zullen daarop beter zijn
voorbereid als zij onder meer hebben
geleerd met microcomputers om te gaan.