Mikrochipset — dagens elektroniska byggsten

DEN digitala kaffebryggaren som brygger ditt morgonkaffe, fickräknaren som låter dig slippa räkna med papper och penna, de flerfärgade displayerna på instrumentbrädorna på nya bilar — allt det här har en sak gemensam: de är möjliga därför att man använder tunna kiselbrickor eller chips som inte är mycket större än ett spädbarns tumnagel.

Sådana chips finns också i många andra saker som du kanske har i din ägo — armbandsur, TV-apparater, radioapparater, telefoner, hushållsapparater och en del verktyg. Från vanliga vardagssaker som används i hemmen till superhemlig militär utrustning spelar detta elektroniska under en betydande roll i fråga om att förändra det sätt på vilket människor världen runt lever och arbetar. Men vad är egentligen ett kiselchips? Hur kom det till? Och hur har det kommit in i ditt vardagsliv?

Vad är ett chips?

Ett kiselchips är i grunden en uppsättning elektronikkretsar i miniatyr. Man skulle kunna jämföra en elektronisk krets med en mening i den här artikeln. Varje mening består av standardkomponenter som substantiv, verb och adjektiv. Genom att anordna dessa komponenter på olika sätt kan meningar sammanställas till påståenden, frågor och även poesi. Och genom att sammanställa meningar på ett logiskt sätt åstadkommer vi samtal eller litteratur.

Elektroniska kretsar fungerar på liknande sätt. Genom att anordna standardiserade elektronikkomponenter — transistorer, dioder, motstånd och liknande — på olika sätt kan man utveckla elektroniska kretsar som fyller många olika funktioner. Sedan kan tusentals av dessa kretsar ställas samman för att utföra alla slag av nyttiga elektroniska processer. Så fungerar det åtminstone i teorin.

I praktiken är det emellertid en enorm uppgift att sammankoppla hundratusentals elektroniska komponenter, för att inte tala om det utrymme de tar upp. Det var exakt den svårighet som vetenskapsmän ställdes inför i slutet av 1940-talet när de satte samman den första generationens datorer. En av dessa datorer, en som kallades ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator, ung.: elektronisk räknemaskin) och som fanns i Philadelphia i USA, upptog ungefär 140 kvadratmeter golvyta, vägde omkring 27 ton och innehöll ungefär 19.000 elektronrör! Detta monster krävde lika mycket energi som 1.300 hundrawatts glödlampor. Dess elförbrukning blev föremål för diverse skämt. Ett sådant gick ut på att när den här maskinen sattes på höll all belysning i västra Philadelphia på att slockna.

Trots storleken var förmågan hos ENIAC och dess gelikar oerhört liten jämfört med den nuvarande generationens datorer. En persondator kan i dag utföra miljoner operationer per sekund, medan ENIAC masade sig igenom 5.000 additioner eller bara 300 multiplikationer per sekund. Och datorer som i dag kostar bara några tusenlappar kan ha tillräckligt med internminne för att lagra hundratusentals siffror, medan EDVAC, en annan tidig datorjätte, bara kunde lagra 1.024. Vad är det som har hänt som har gjort dagens datorer så mycket kraftfullare?

I början av 1960-talet uppenbarade sig den lilla och effektiva transistorn på scenen. Äntligen kunde datateknikerna göra sina långsamma, effektslukande monster mindre. Men ytterligare ett framsteg måste göras innan dagens datorer skulle kunna byggas. Det skulle komma från fotografins värld.

Förminskningar och chipsen

Som du säkert vet kan fotografier med hjälp av rätt utrustning förstoras eller förminskas allt efter behov. På senare år har en teknik utvecklats som gör det möjligt för datortillverkare att på fotografisk väg förminska stora ritningar av datorkretsar till mycket liten storlek. Dessa ritningar kan vara så komplicerade som en storstads stadsplan, men när de har förminskats får de plats på ett chips som är mindre än en kontaktlins. Fotografierna görs inte på vanligt fotopapper, utan på tunna skivor av rent kisel, ett av de vanligaste ämnena på jorden och ett ämne som finns i vanlig sand.

Det var vissa egenskaper hos kiseln som gjorde den till det material man valde för tillverkning av chips. Genom att tillsätta olika typer av kemiska föroreningar i kiseln kan man exempelvis få den att uppföra sig som motstånd, som kondensatorer och till och med som transistorer. Genom att dopa vissa ytor på ett kiselchips med dessa föroreningar kan man återge en fullständig elektronisk krets på det.

Av nersmält och renad sand får man fram kiselkristaller som bearbetas tills de liknar långa salamikorvar. Sedan skärs de i tunna skivor och får en speciell beläggning. Små avbildningar av de stora elektronikkretsarna etsas in på skivorna i lager efter lager. Kemiska föroreningar tillsätts på de rätta ställena. Och det som till sist finns på chipset är inte bara bilder, utan fungerande elektroniska kretsar, så kallade integrerade kretsar eller IC-kretsar.

Integrerade kretsar som tillverkades under 1960-talet innehöll omkring hundra elektronikkomponenter. Det gjorde att man kunde tillverka ”små” datorer stora som resväskor för laboratorier och andra institutioner. I slutet av 1970-talet konstruerade man LSI-kretsar (large-scale-integration, höggradigt integrerade kretsar) med över hundra tusen komponenter. Dessa chips är så komplexa att bara ett enda av dem teoretiskt kan utföra en komplett dators uppgifter, till exempel att styra en mikrovågsugn eller köra en bil. I dag talar forskarna om VLSI-kretsar (very large-scale-integration, mycket höggradigt integrerade kretsar), chips som innehåller miljoner komponenter. Föreställ dig att man skulle komprimera stadsplanen för en stad som är nästan 1.600 kilometer i kvadrat, eller mer än fem gånger så stor som Sverige, på ett chips som är 6 millimeter i kvadrat!

Chipsen och du

Användningen av chips eliminerar mycket av det tröttsamma lödningsarbetet och det hantverk som annars skulle krävas vid tillverkningen av komplicerade elektroniska apparater. Det gör slutprodukterna billigare, pålitligare och mindre. Massproduktionen har reducerat priserna på chips med särskilda förmågor, till exempel att alstra ljud, så att de används i alla slags produkter i dag.

Vi finner således dessa chips i talande spelmaskiner, i köpautomater och i bilar överallt omkring oss. I vissa länder kan den ”telefonist” som talar om tiden för dig eller som ger dig ett telefonnummer vara gjord av kisel! Konsumentprodukter som använder chips för att förstå det du säger till dem håller också på att bli vanliga. Några av dessa kanske bara är leksaker, men andra kan ge handikappade efterlängtad hjälp.

Chips utnyttjas också inom industrin och i affärsvärlden. I fabriker används de till att styra robotar som kan ersätta människor i tråkiga, enformiga eller farliga arbetsuppgifter. De håller redan på att göra sitt intåg inom biltillverkningen och utför arbetsuppgifter som svetsning och lackering. På kontoren ersätts skrivmaskinerna i snabb takt av elektroniska ordbehandlare som kontrollerar stavningen, låter dig göra ändringar utan att skriva om hela dokumenten och som även automatiskt skriver ut adressetiketter. Det här kan dock ibland ha sina nackdelar. Kontoristerna kanske befrias från enformiga kontorsrutiner, men de tvingas i stället att sitta fastklistrade vid dataskärmen alltmer.

Å andra sidan har kiselchipsen i hög grad bidragit till den revolution inom kommunikationsteknologin som den här generationen har fått uppleva. Artiklarna i den tidskrift du nu läser har skrivits in på datorer, fotosatts av en dator och tryckts med hjälp av dator. Genom MEPS-systemet (Multilanguage Electronic Phototypesetting System, flerspråkigt elektroniskt fotosättningssystem) som används för sättning och tryckning med hjälp av dator gör faktiskt Sällskapet Vakttornet ett pionjärarbete inom detta flerspråkiga tillämpningsområde för den allt vanligare, allt värdefullare och alltmer användbara elektroniska byggstenen — kiselchipset.