Transistorens fødselsdag regnes som lille julaften 1947; den hadde altså nylig femtiårsdag. Oppfinnerne ante neppe at dette også var begynnelsen til informasjonsteknologiens æra. Viktige trekk av historien fram til i dag skisseres i denne kronikken. Det sannsynliggjøres at utviklingen fram mot år 2010 fortsatt preges av eksponensiell vekst, noe som vil gi oss en økning av ytelsen til en mikroprosessor på 1000-10000 ganger. Vi kan bare spekulere på hva dette kan gi av samfunnsomveltninger.
Elektronet måtte oppdages først. I 1897 oppdaget tyskeren Wiechert og engelskmannen Thomson elektronet. Elektron-fysikken utviklet seg raskt etter denne oppdagelsen, og radiorøret ble oppfunnet i kjølvannet av denne grunnforskningen. Radio-røret var den grunnleggende forsterkende komponent i radio, telefonutstyr, fjernsyn, og til slutt i de første datamaskiner. Men radiorørbaserte datamaskiner fylte flere store rom, og trengte tusener av watt for å operere. Rørenes begrensete levetid krevde stadige utskiftinger, og forårsaket mange driftsstanser.
Halvlederne
Behovet for å finne en erstatter for det klumpete, upålitelige radiorøret i forbindelse med forsterkning av signaler, gjorde at daværende direktør for Bell Labs, Kelly, allerede i 1945 bestemte seg for å satse for fullt på halvlederforskning. Han etablerte et team av førsteklasses forskere, og de begynte å søke etter en halvleder-basert erstatter til radiorøret. En halvleder kan både lede strøm og isolere, avhengig av elektriske styresignaler. De tre forskerne J. Bardeen, W. Brattain og W. Shokley arbeidet med halvleder-materialet germanium. Det var Brattain som oppdaget at germanium-krystallet ga strømforsterkning når han plasserte to ledninger mindre enn en hundredels millimeter fra hverandre. Denne oppdagelsen førte til en målrettet utvikling av den første kommersielle transistor. Transistorens offisielle fødselsdag regnes som 23. desember 1947, da ledelsen ved Bell Labs fikk demonstrert den nye faststoff-forsterkeren. Opp-finnerne fikk senere Nobelprisen i fysikk. Halvlederen silisium ble etter hvert det dominerende transistor-materialet. Heldigvis har vi nok silisium på jorda. Dette grunnstoffet finnes i kvarts, altså på enhver sandstrand.
Transistoren
er simpelthen en komponent med tre «ben», der det ene benet brukes til å styre strømmen gjennom de to andre. Transistoren benyttes som forsterker-element i bl a radio, fjernsyn og telekommunikasjon, og som bryter i telefonsentraler og datamaskiner. Det er bryter-egenskapen som gjør transistoren verdig til betegnelsen «Informasjonsteknolo-giens atom». Med slike brytere, som gjør det mulig å regulere mellom to spennings-tilstander HØY og LAV, eller «1» og «0», kan vi bygge logiske og matematiske funksjoner i det binære tallsystem, samt minnekretser for lagring av data. Bell Labs' første anvendelse var selvsagt innen telefonsentraler, der de gamle elektromekaniske reléene kunne erstattes av transistorer. Den første transistoriserte telefonsentral kom på markedet først på 50-tallet. Tidlige anvendelser omfattet også linje-forsterkere, hodetelefon-forsterkere for operatører, samt høreapparater. Gamle Graham Bell var faktisk opptatt av de hørselshemmede hele sitt liv, og det sies at Bell Labs ga slipp på sine patentrettigheter for høreapparater til glede for senere brukere av slike.
Datamaskinen
I 1954 kom den første hel-transistoriserte datamaskin på markedet. Det var IBM som introduserte datamaskinen, og de annonserte samtidig at de ikke ville benytte radiorør i sine maskiner lenger. I 1954 kom forøvrig også den første transistor-radio, og ordet «transistor» ble her til lands synonymt med transistor-radio. Bærbare radioer kom til glede og forargelse. Brattain selv var mest stolt av denne anvendelsen av transistoren, selv om han inrømmet at det ikke gledet ham å høre «very loud rock and roll.»
Det ble benyttet enkelt-transistorer i datamaskinene, og disse ble koblet sammen på såkalte kretskort. Maskinene var så store og kostbare at en bare så for seg et lite antall på verdensbasis. Således ble den første IBM datamaskinen til Danmark lagt til det en kalte NEUCC - Northern Europe University Computing Centre, fordi maskinen var ment å dekke nord-Europas behov for datakraft i overskuelig famtid. Datakraften var forøvrig så beskjeden med dagens målestokk at en ungdomsskoleelev antagelig ville rynke på nesa over en så treg kalkulator!
Den integrerte kretsen
Selv om transistoren utgjorde et enormt framskritt i forhold til radiorøret, i størrelse, effektforbruk, pålitelighet og pris, er det den integrerte kretsen som virkelig satte fart i utviklingen av informasjonsteknologien. Enkelt-transistorene ble opprinnelig montert på kretskort, og koblet sammen i digre skap. I 1959 utviklet Kilby ved Texas Instruments en halvleder-brikke med flere transistorer, forbundet med hverandre med ledere deponert direkte på brikken. Utviklingen av den integrerte krets skjøt fart. I dag kan en transistor være mindre enn en kvadrat-mikrometer (en mikrometer er en tusendels millimeter), og dagens Pentium mikroprosessor inneholder ca 6 millioner transistorer.
Utviklingen etter 1959 kjennetegnes av eksponensiell vekst. Veksten beskrives gjerne med den velkjente Moores lov, som sier at antall transistorer som lar seg integrere på en silisium-brikke, fordobles hvert år (senere modifisert til hver 18 måned), samt det faktum at reduserte geometrier (mindre transistorer) gir stadig bedre ytelse. Legg så til at prisen pr transistor nesten halveres hvert tredje år, og vi har årsaken til eksponensiell vekst i antall solgte PCer.
Gorden Moore, opprinnelig vitenskapsmann, senere en av grunnleggerne av Intel Corporation, fortjener noen ord. Han publiserte i april 1965 sin lov, som egentlig var en observasjon. Da hadde man ennå bare oppnådd å integrere 32 transistorer på en brikke. Tilsynelatende plottet bare Moore fire punkter på et semilogaritmisk kurvepapir, trakk en rett linje gjennom punktene, forlenget den helt til år 1975, og predikterte at da ville man kunne integrere 65.000 transistorer på en brikke! Han ville neppe fått «godkjent» på en laboratorie-rapport ved sitt Alma Mater Caltech, der han tok doktorgraden i kjemi og fysikk, med en så dristig ekstrapolasjon fra bare fire målepunkter. Men mange mener at nettopp den eksplisitte formuleringen av en eksponensiell vekstlov fikk avgjørende innflytelse på ambisjonsnivået innenfor halvlederindustrien. Spesielt har Intel Corporation profitert på at de har prøvd å oppfylle spådommen i Moores lov i de 38 år som er gått siden lovens formulering. Det er intet annet teknologisk fenomen som kan påvise en lignende langvarig eksponensiell vekst. Intels suksess var (og er) bygget på den filosofi at neste generasjons mikroprosessor må følge Moores lov. Moores lov er absolutt ikke en naturlov; den uttrykte opprinnelig en observasjon av produksjonstekniske framskritt. Loven gjelder også for lagerkretser, som inneholder minst en transistor pr bit. Nå utvikles lagerkretser med 256 megabits, som innebærer drøyt 267 millioner transistorer på en silisiumbrikke med knapt 3 cm2 areal!
Vil så denne utviklingen fortsette?
En rekke forskere har prøvd å finne de fysiske grenser for denne veksten. Hvor langt kan vi krympe transistorene, redusere spenningen og øke arealet på en brikke uten at det går ut over påliteligheten? Det finnes flere tilnærminger til beregning av showstoppers, som amerikanerne ynder å kalle det. Beregningene tyder på at vi kan «stole» på Moores lov i hvert fall til år 2010. Figuren viser en skisse av hvordan denne utviklingen påvirker en viktig parameter, nemlig ytelsen til en mikroprosessor. I stedet for å tegne denne som en rett linje i semilogaritmisk skala, har jeg valgt å benytte vanlig lineær skala. Da kommer den dramatiske veksten i forventet ytelse klart fram. Vi kan forvente at ytelsen øker med en faktor mellom 1000 og 10000 fra år 1995 til år 2010. Også lagringskapasiteten øker dramatisk. En datalagrings-brikke på 14 cm2 anno år 2010 antas å ville inneholde 64 gigabits. Legg merke til at denne utviklingen kun gjelder fremskriving av dagens silisiumbaserte teknologi. Det kreves store teknologiske innovasjoner . Men det kan også dukke opp nye oppfinnelser som gjør at silisiumteknologien erstattes av noe annet. Spekulasjoner rundt konkurrerende teknologi basert på supraledere, optikk eller biologi finnes allerede, og laboratorieforsøk pågår.
Mange må bidra til gyldigheten av Moores lov, for at den skal fortsette. Det er ikke nok at Intel har vyer om å opprettholde Moores lov. Det eksisterer imidlertid en tyngde bak troen på at mikroelektronikk-revolusjonen skal fortsette. De store aktørene i amerikansk halvlederindustri, organisert i SIA (Semiconductor Industry Association) utga i 1994 det som ble kalt The National Technology Roadmap for Semi-conductors. En revidert utgave kom nylig. Denne rapporten utgjør både en programerklæring om å følge Moores lov til minst år 2012, og en analyse av hvilke hindringer som må overvinnes for å oppnå dette. Ikke minst pekes det på nødvendige teknologiske innovasjoer som må skje. Dokumentet har oppnådd stor oppmerksomhet, og nyter stor autoritet hos alle aktører.
Den skisserte eksponensielle utvikling er så dramatisk at ethvert forsøk på å spå utviklingen av anvendelser og samfunnsutvikling på lengre sikt enn fem-ti år, vil antagelig mislykkes. Merk at ved en eksponensiell utvikling av et fenomen, vil hver ny dobling gi et større bidrag enn summen av alle tidligere doblinger tilsammen! Erfaring fra fortiden viser at spådommer om teknologisk utvikling har vist seg å være konservativ (I think there is a world market for maybe five computers, sa IBM-sjef Thomas Watson i 1943), mens spådommer om samfunnspåvirkningen oftest har slått feil, idet endringer i samfunnet ofte skjedde langsommere enn framtidsforskerne spådde. Jeg vil avstå fra å komme med egne spådommer om hvor utviklingen vil lede IT-samfunnet i kommende tiår. Min oppgave har vært å påpeke at den eksponensielle veksten i datakraft vil fortsette. Vi gjør best i å regne med en slik utvikling. NTNU kan bidra i såvel utviklingen som til å utnytte IT-potensialet gjennom langsiktige strategier. Vi kan også være tidlig ute med mulige samfunnsmessige analyser i et visst langsiktig perspektiv, men være oss bevisst den prediksjons-risiko eksponensiell vekst innebærer.
Se på dagens ytelse på figuren i forhold til utviklingen de neste tolv år. Du er vel enig i at vi ennå bare er kommet til bleiestadiet når det gjelder utviklingen av IT...?